CN1703805A - 采用光子带隙结构的槽型天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在金属化衬底上制成的槽型微波器件上产生光子带隙(PBG)结构的方法，其中在衬底1上与容纳所述槽3的一侧相反的一侧上形成周期性间距的图案4。本发明应用于槽型天线。

Description

采用光子带隙结构的槽型天线

技术领域

本发明涉及一种在微波器件上产生光子带隙结构的方法，更具体地，位于在金属化衬底上制成的槽型器件上。本发明还涉及一种使用这样的结构的槽型天线。

背景技术

已知为PBG结构的光子带隙结构是用于防止特定频带的波传播的周期性结构。这些结构首先在光学领域中使用，但是近年来，其应用已经扩展到其他频率范围。因此，其特别用于如天线、滤波器、波导等微波器件。使用具有以微带技术制成的线的光子带隙结构如描述于文章“Novel 2-D photonic band gap structure for microstriplines”，公布于期刊IEEE微波和导波学报，Vol.8，No.2，1998年2月。该文章描述了一种光子带隙结构，由蚀刻在衬底上与容纳微带线的一侧相反的一侧上的盘构成。该结构允许制造滤波器。

在微带线或“接线”型天线的情况下，主要地，或者通过蚀刻对如上所述以微带技术制成的结构的接地平面进行去金属化所获得的周期性图案，或者通过在仍然保持接地平面的连续性的同时、以微带技术在包括电路的衬底中周期性地钻孔，来获得所述PBG结构。在现有技术中已经描述的这些结构提供了多种可能，特别是用于滤波。

发明内容

因此，本发明提出了一种在微波器件上产生新型光子带隙结构的方法，并且其应用于天线，特别是环形槽天线或维瓦尔第天线，用于所述天线的频率匹配或滤波。

因此，本发明的主题是一种在金属化衬底上形成的槽型微波器件上产生光子带隙(PBG)结构的方法，其特征在于所述方法在于：在衬底上与容纳所述槽的一侧相反的一侧上形成周期性间距的金属图案。

根据附加特征，两个图案之间的周期等于kλg/2，其中λg是在所选带隙频率处在槽中所引导的波的波长，并且k是整数。而且，所述带隙的宽度和深度取决于周期性图案的面积。因此，周期性图案可以采用盘、方形或环形的形式，或者可以由具有可以周期性重复的H形或其他任何已知形状的元件构成，其表面积将确定带隙的宽度和深度。根据本发明，所述周期性图案可以是具有相同等效面积的不同图案，即，对于盘形式的图案，比值r/a在该结构的整个长度内是完全相同的，其中r是图案半径而a是两个图案之间的距离。

优选地，通过蚀刻沉积在衬底上与容纳所述槽的一侧相反的一侧上的金属层来产生所述图案。至少部分地在所述槽的下方产生所述周期性结构。

此外，本发明还涉及一种微波天线，其中形成了PBG结构以便通过开启超宽带天线的频率响应中的禁用频带，滤出特定的不必要的频率或获得多个通信频带。该类型的天线在无线通信的领域特别有用。

因此，本发明的主题还是一种由在金属化衬底上制成的闭合槽构成的微波天线，所述槽通过馈线来馈电，其特征在于所述微波天线在闭合槽的下方包括根据上述方法制成的带隙结构。在一个实施例中，选择PBG结构的图案的周期，从而使带隙频率等于闭合槽的操作频率的谐波之一。

在另一实施例中，选择PBG结构的图案的周期，从而使带隙频率大于闭合槽的操作频率。在这种情况下，在其带宽内使用所述结构，从而使利用槽的电路更为紧凑。

优选地，所述闭合槽是环形槽。经由以微带技术制成的馈线，在槽线过渡处对所述槽进行馈电。

根据本发明的附加特征，通过对衬底上与其上制成微带线的表面相反的表面进行去金属化，在微带线的下方制成光子带隙结构。

根据本发明的另一特征，本发明应用于一种维瓦尔第槽型天线，其特征在于所述天线包括根据上述方法制成的光子带隙结构。在这种情况下，沿构成维瓦尔第天线的槽的剖面的至少一个来制成所述带隙结构。

优选地，经由以微带技术制成的馈线，在槽线过渡处对维瓦尔第天线进行馈电。因此，或者通过对容纳所述线的衬底表面进行去金属化，在微带线的下方添加光子带隙结构，或者通过具有两个单独的光子带隙结构，一个位于维瓦尔第天线的第一剖面上，对应于第一禁用频带，另一个位于维瓦尔第天线的另一剖面上，对应于第二禁用频带，能够增加带隙数。

附图说明

通过阅读各种实施例的描述，本发明的其他特征和优点将显而易见，将参考附图来给出该描述，其中：

图1是具有根据本发明的结构的槽型微波器件的示意透视图；

图2A、2B、2C和2D示意地示出了具有其中图案具有不同形状的光子带隙结构的槽型微波器件的各种透视图；

图3A和3B示出了其中图案面积遵循特定的定律的实施例；

图4是用于测试本发明的一个实施例的光子带隙结构的示意图；

图5A和5B是比较具有光子带隙结构的槽线过渡与传统槽线过渡的反射和透射系数的曲线；

图6是给出了在由盘构成的如图4所示的光子带隙结构的情况下的透射系数的曲线，示出了盘的半径对带隙的影响；

图7是给出了在光子带隙结构已经设计用于减小带隙尺寸的情况下的透射和反射系数的曲线；

图8示意地示出了具有光子带隙结构的环形槽天线，使用了本发明的方法；

图9示出了给出了图8所示的天线的反射系数的曲线，与传统的环形槽天线进行比较；

图10示出了在环形槽天线的情况下的天线的主要辐射分量，将具有光子带隙结构的天线的情况与传统天线进行比较；

图11A和11B示出了针对光子带隙结构的图案的各种形式；

图12是给出了图11A和11B的天线的反射系数的曲线，与传统环形槽天线进行比较；

图13是具有根据本发明的PBG结构且通过具有传统PBG结构的馈线进行馈电的环形槽天线的示意图；

图14是给出了针对本发明所示的各种环形槽天线，作为频率的函数的反射系数的曲线；

图15是具有根据本发明另一实施例的PBG结构的维瓦尔第天线的示意图；

图16是给出了在图15所示的维瓦尔第天线的情况下，作为频率的函数的反射系数的曲线，与传统维瓦尔第天线进行比较；以及

图17A和17B是根据本发明的维瓦尔第天线的两个另外实施例的示意图。

为了简化描述，在附图中，相同的元件具有相同的参考符号。

具体实施方式

首先将参考图1到7来描述在槽型微波器件上制造光子带隙或PBG结构的方法。

根据本发明，所述器件是具有槽线的印刷电路。更准确地，所述器件包括：衬底1，在其面2上已经进行了金属化；槽线3，通过蚀刻金属层2在衬底1中制成。如图1所示，所述衬底具有厚度h并由已知的介电体制成。

根据本发明的方法，通过衬底1上与具有金属层2的一侧相反的一侧上周期性地制造图案4来获得PBG结构。通过蚀刻金属层来制造图案4，给出了金属图案4。优选地，将图案4蚀刻在槽线3的下方。

为了获得光子带隙结构，图案4以距离a相间隔，距离a给出了该图案的重复周期，当这些图案相同时，该距离固定了带隙的中心频率。因此，距离a大约为kλg/2，其中λg是以所选带隙的中心频率在槽3中所引导的波的波长，且k是整数。

如图4所示，所述图案具有任意形状。然而，图案的等效面积确定了带隙的宽度或深度。

如图2A到2D所示，所使用的图案可以是盘状图案4a，如图2A所示，矩形或方形图案4b，如图2B所示，允许多个参数的实质上为H状的图案，所述参数诸如为尺寸L1、L2和g，即，具有三个自由度的形状，如图2C中的图案4c所示，或环状图案4d，如图2D所示。如稍后将说明的，每一个图案的尺寸，特别是其等效面积，允许对带隙的宽度或深度进行调节。

而且，如图3A和3B所示，在仍然保持恒定盘间间距等于a的同时，可以利用其半径逐渐变化的盘状图案来获得根据本发明的结构。所述变化可以遵循所定义的数学定律，例如汉明窗、巴特利特窗或Kaiser窗型的定律。而且，如图3B所示，还可以逐渐地修改盘间间距。

此外，尤其是为了加宽所述带隙，可以对上述结构进行组合。因此，能够级联设置如图4所示类型的两个结构，一个具有间距a和半径为r的盘状图案，另一个具有间距a’和半径为r’的盘状图案。在这种情况下，中心频率对应于由具有最低中心频率的PBG结构的最小频率和具有最高中心频率的PBG结构的最大频率所定义的频带的中心。

现在，将参考图4到7更具体地描述为了滤出特定频率即制造带阻滤波器、在槽型天线中的根据本发明的PBG结构的使用。

如图4所示，通过仿真槽线10已经说明了滤波效果，其中已经对盘11进行了金属化，以具有周期a的周期图案来制造这些盘，从而a＝λg/2，λg按照如上定义，并且所述盘具有半径r。

通过在槽10的每一末端处由两个槽线过渡12和13对其进行激励，已经仿真了槽线。已经利用了由Knorr建立的定律设计了槽线，并且在本发明的情况下，已经使用了以下尺寸：a＝18.9mm，r＝2.4mm和n＝9。如图5A所示的仿真结果说明了带隙的开口围绕6.5GHz的频率具有大约1GHz的宽度。当将如图5A所示的结果与针对没有光子带隙结构的槽线所获得的结果进行比较时，如图5B所示，可以看到，创建了围绕6.5GHz的带阻滤波器。

从相同的结构开始，在包括在2.7mm和4.2mm之间变化的半径r的六个盘的光子结构的情况下，对具有不同半径的盘进行了仿真，并且所获得的结果如图6所示。可以看到，盘的面积修改了光子带隙的透射系数的宽度和深度。

图7示出了如图4所示的结构的反射系数，具有以14.7mm的间距由半径为1.6mm的二十个盘形成的PBG结构。在这种情况下，可以看到，存在围绕7.5GHz频率的700MHz的窄带隙。

因此，根据各种仿真结果，能够确定由金属盘形成的PBG结构的设计，能够具有以所需频率为中心的光子带隙。因此，假设PBG图案的重复周期为a且假定与所需带隙的中心频率相对应的波长为λbg，则可以使用以下等式来获得该周期：

$a={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bg}}/2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}$

其中，ε_eff表示衬底的有效介电常数。

接下来，可以看到，盘的半径r影响了带隙的透射系数的宽度和深度。针对数值获得显著带隙(大约-20dB的S₂₁)，从而0.15＜r/a＜0.25。

在以上所给出的图中对此进行了说明。

现在将参考图8到17来描述具有利用上述方法所获得的PBG结构的各种槽型天线结构，用于实现滤波功能。

因此，图8到12示出了在闭合槽型天线的下方所产生的PBG结构，通过所述馈线对所述天线进行馈电，更具体地，通过微带线型的线，位于使用已知的Knorr定律的槽线过渡处。

图8示意地示出了环形槽20。通过在衬底上蚀刻接地平面来制造该槽(未示出)。通过微带线21对该环形槽20进行馈电，按照已知方式对所述组件进行设计，以便在给定频率F₀处操作。在这种情况下，所述天线表现出在频率F₀的每奇数倍处的谐振。

根据本发明来制造在环形槽下方由金属化盘22周期地形成的PBG结构。对该PBG结构22进行设计，从而滤出在传统环形槽天线的情况下所获得的谐波。

因此，计算两个图案22之间的周期a，从而具有诸如与三阶谐波相对应的带隙频率。对于f₀＝2.4GHz的操作，给出示例，环形槽20的半径为r＝5.4mm，并且微带线21的长度为20mm。

如图9所示，在大约7GHz，即实际上在3f₀的值处，获得寄生谐振，同时，反射系数曲线在围绕5GHz的区域中实质上为平坦的。该槽型天线具有PBG结构，利用以上针对所述盘所给出的规则来计算其尺寸。因此，获得了14.7mm的盘间周期a和3.7mm的盘半径，从而消除在大约7GHz处的谐振频率。这在图9中以具有点的曲线来显示。利用两种类型的天线，如图10所示，所获得的是实质上类似的全向辐射图案。这还是从下表A中得到的，表A给出了针对两种情况的辐射效率和天线效率。

表A

	ASA*2.4GHz	具有PBG的ASA*2.05GHz
			辐射效率(％)	93.6	92.8
天线效率(％)	93.1	86

^*ASA＝环形槽天线

根据本发明的一个变体，可以在其带宽内使用相同类型的PBG结构。在这种情况下，将PBG结构设计为在比所需操作频率更高的频率处具有带隙。所述PBG结构是在其带宽内被称为“慢波”效应的源：通过在该线下方出现金属盘来修改波沿槽线的透射系数的相位。然后，使在槽下方的线的传播速率变慢(即慢波效应)。因此，能够提出一种其中对所述槽的等效电长度进行修改的PBG结构。换句话说，PBG结构的存在能够减小在所述槽中所引导的波的波长：

(λ_g)_BPG＜λ_g＜λ₀，

(λ_g)_BPG是存在该PBG结构时在槽中所引导的波的波长，λ_g是在槽中所引导的波的波长，而λ₀是在真空中所引导的波的波长。

因此，当存在PBG结构时，针对2.4GHz设计的环形槽天线按照相同的方式进行操作，但是处于更低的频率(例如，2GHz)。

如图11A和11B所示，PBG结构的图案22a和22b的形状可以是不同的，例如分别为环形和方形的。然而，作为根据曲线12b的结果，如果图案22a的面积等效于图案22b的面积，并且如果两个图案之间的间距a相同，则将获得实质上相同的效果，特别是当PBG结构作为滤波器进行操作时，消除传统环形槽天线所获得的三阶谐波。

如图9和图12中的曲线所示，在槽型天线下方使用PBG结构来消除奇次谐波的频率可以会引起在该频率的两倍附近的附加谐波的创建(由在大约4GHz的低幅度峰值所示)。

为了消除该类型的谐波，可以使用如在背景技术中所提到的文章中所述的传统PBG结构。在这种情况下，通过对位于微带线下方的接地平面进行去金属化，在以微带技术制成的馈线21的下方创建图案23。

在这种情况下，在微带线下方的接地平面中开槽。

由图14中的曲线给出了以这样的结构所获得的结果，针对各种类型的环形槽天线，即控制天线、具有根据本发明的PBG结构的天线、以及图13中的天线，作为频率的函数对反射系数S₁₁进行比较。在这种情况下，观察到在4GHz频率处的峰值的幅度的减小。

现在将描述在维瓦尔第槽型天线的情况下的PBG结构的另一实施例。将参考图15和17来给出描述。

如图15所示，通过对表面30进行去金属化，通过开槽在金属衬底30上产生维瓦尔第天线31，该槽具有向外逐渐变细的剖面。该维瓦尔第天线对于本领域的技术人员是公知的，并且将不再进一步详细描述。如所公知的，根据Knorr原理通过馈线32对该天线进行馈电。该馈线32由微带线构成。

根据本发明，沿构成维瓦尔第天线的剖面的至少一个，在衬底上与容纳锥形槽31的一侧相反的一侧上蚀刻由周期性图案形成的PBG结构。如图15所示，由以距离a均匀间隔的四个盘32形成PBG结构。

使用如图15所示的PBG结构，能够在维瓦尔第天线中创建其中禁止波传播的频带。这是由于维瓦尔第天线本质上以非常宽的频带进行操作，并且使用PBG结构将能够创建一个和多个操作子带。在5.8GHz的中心频率附近操作且具有沿半径R＝350mm、长度L＝99mm和开口X＝30mm的剖面的维瓦尔第天线上对图15所示的结构进行仿真。没有PBG结构的维瓦尔第天线在5.5和7.5GHz之间、10dB处具有2GHz的带宽。如果该类型的天线具有设计为具有6.5GHz附近的带隙的PBG结构，即由具有半径R＝4.3mm和周期a＝17.2mm的盘形成的PBG结构，则获得了如图16所示的作为频率的函数的反射系数。在这种情况下，通过添加该PBG结构来减小维瓦尔第天线的操作频带，这防止波在5.5和7GHz之间沿所述槽传播。如果需要禁止两个单独的频带，则可以使用如图17A所示的PBG结构剖面32a、32b。而且，通过经由具有传统PBG结构33的馈线32对维瓦尔第天线进行馈电，增强了滤波，如在环形槽天线的情况下所描述的那样。

对本领域的技术人员显而易见，仅作为示例给出了上述实施例，利用根据本发明的方法所获得的PBG结构也可以用在除槽型天线之外的其他天线中。

Claims (19)

1、一种在金属化衬底上形成的槽型微波器件上产生光子带隙(PBG)结构的方法，其特征在于所述方法在于：在衬底上与容纳所述槽的一侧相反的一侧上形成周期性金属图案(4、4a、4b、4c、4d、5a、5b、11a、22、32)。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于两个图案之间的周期等于kλg/2，其中λg是在所选带隙频率处在槽中所引导的波的波长，并且k是整数。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述带隙的宽度和深度取决于周期性图案的等效面积。

4、根据权利要求1到3任一个所述的方法，其特征在于所述图案由金属材料制成。

5、根据权利要求1到4任一个所述的方法，其特征在于通过蚀刻沉积在衬底上与容纳所述槽的一侧相反的一侧上的金属层来产生所述图案。

6、根据权利要求1到5任一个所述的方法，其特征在于部分地面向所述槽来实现所述图案。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在PBG结构中，可以根据渐进函数来修改图案的等效面积。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在PBG结构中，每一个图案之间的间距根据渐进函数发生变化。

9、根据权利要求1到8任一个所述的方法，其特征在于将多个不同的PBG结构彼此进行组合。

10、一种由在金属化衬底上制成的闭合槽构成的微波天线，所述槽通过馈线来馈电，其特征在于所述微波天线包括根据权利要求1到9任一个所述的方法制成的带隙结构(22)。

11、根据权利要求10所述的微波天线，其特征在于选择PBG结构的图案的周期，从而使带隙频率等于闭合槽的操作频率的谐波之一。

12、根据权利要求10所述的微波天线，其特征在于选择PBG结构的图案的周期，从而使带隙频率大于闭合槽的操作频率。

13、根据权利要求10到12任一个所述的微波天线，其特征在于所述闭合槽是环形槽。

14、根据权利要求10到13任一个所述的微波天线，其特征在于经由以微带技术制成的馈线，通过槽线过渡对所述槽进行馈电。

15、根据权利要求14所述的微波天线，其特征在于通过对衬底上与容纳所述线的一侧相反的一侧进行去金属化，在微带线的下方制成光子带隙结构。

16、一种维瓦尔第型微波天线，其特征在于所述天线包括根据权利要求1到9任一个制成的带隙结构(32)。

17、根据权利要求16所述的天线，其特征在于沿构成维瓦尔第天线的槽的剖面的至少一个来制成光子带隙结构。

18、根据权利要求16或17所述的天线，其特征在于经由以微带技术制成的馈线，通过槽线过渡对维瓦尔第天线进行馈电。

19、根据权利要求18所述的微波天线，其特征在于通过对衬底上容纳所述线的一侧进行去金属化，在微带线下方制成光子带隙结构。

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