專利名稱：一種雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種具有雙頻段帶阻特性的新型電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)及制作方法，屬于電磁波傳播與接收的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
眾所周知，在科技高速發(fā)展的現(xiàn)代社會，半導(dǎo)體的出現(xiàn)給我們的生活和科技的發(fā)展帶來了深刻的影響。而幾乎所有的半導(dǎo)體器件的作用都是靠利用和控制電子的運動來實現(xiàn)的。但由于電子本身特性所限，半導(dǎo)體器件的集成已到了極限狀態(tài)。而光子有著電子所沒有的優(yōu)越特性傳輸速度快，沒有相互作用。所以人們希望能得到新的材料，就像控制半導(dǎo)體中的電子一樣，可以自由的控制光子，從而有力地促進了近十年來光子晶體研究的發(fā)展。光子晶體這一新概念是在1987年提出的，在此之前，關(guān)于電子在周期勢場中傳播的能帶理論已經(jīng)相當(dāng)成熟。而實際上，電磁波受到周期性調(diào)制也會有能帶結(jié)構(gòu)，也有可能出現(xiàn)帶隙，能量落在帶隙中電磁波也是禁止傳播的。所以如果用不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料來構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)，由于布拉格散射，在其中傳播的電磁波就會受到調(diào)制而形成能帶結(jié)構(gòu)，這種能帶結(jié)構(gòu)叫做光子能帶(photonic band)。光子能帶之間可能出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙(photonicbandgap，簡稱PBG)。而這種具有光子帶隙的介電材料周期性結(jié)構(gòu)就是光子晶體(photonic crystals)，或叫做光子帶隙材料(photonic bandgapmaterials)，在微波界有很多學(xué)者也稱之為電磁帶隙(electromagneticphotonic bandgap，簡稱EBG)結(jié)構(gòu)。電磁帶隙的出現(xiàn)與其結(jié)構(gòu)單元形狀、介質(zhì)連通性、介電常數(shù)反差和填充比有關(guān)。一般說來，介電常數(shù)反差越大，出現(xiàn)電磁帶隙的可能性越大。近年來，有關(guān)光子晶體、電磁帶隙結(jié)構(gòu)的文章在國外權(quán)威刊物如Nature、Science和IEEE系列雜志上頻繁地刊出，這也表明該研究領(lǐng)域已成為新的熱點。目前電磁帶隙結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用更為人們所關(guān)注，而與成熟的硅工藝相結(jié)合是人們常用的方法，所以出現(xiàn)了各種各樣的全硅基光電子器件和全硅基光子器件。但是，隨著通信設(shè)備日益小型化的今天，厘米波段的微波器件以及天線的尺寸要求越來越小型化、集成化，象硅等相對低介電常數(shù)的材料往往不能滿足這小型化的要求，因此制備基于高介電常數(shù)電磁帶隙結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用已成為眾望所歸的目標(biāo)。國內(nèi)外諸多文獻(xiàn)報道了一維、二維、三維等電磁帶隙結(jié)構(gòu)的研究，而且周期單元形狀多種多樣，象分形型、穿孔型、高阻表面型等，同時大多是采用單純的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)成周期單元。

發(fā)明內(nèi)容
為了符合通訊設(shè)備小型化和集成化的要求，本發(fā)明的目的在于提供一種雙頻、寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)及制作方法。
首先，本發(fā)明提供一種雙頻、寬帶的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，它是一種穿孔結(jié)構(gòu)和高阻表面結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)；其阻帶中心頻帶分別為1.6GHZ(帶寬為±7.5MHZ)和2.4GHZ(帶寬為±7.5MHZ)，它是集成左旋圓極化天線為一體(收、發(fā)集于一體天線)時用作抑制表面波而降低互耦的一種有效結(jié)構(gòu)。
圓極化波是一個等幅的瞬時旋轉(zhuǎn)場。即，沿其傳播方向看去，波的瞬時電場矢量的端點軌跡是一個圓。若瞬時電場矢量沿傳播方向按左手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，稱之為左旋圓極化波，記為LCP(Left-Hand CircularPolarization)；若沿傳播方向按右手螺旋旋轉(zhuǎn)，稱之為右旋極化波，記為RCP(Right-Hand Circular Polarization)。
所述的雙頻、寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)中介質(zhì)基片呈矩形，介質(zhì)基片表面上緊附著穿孔周期結(jié)構(gòu)和高阻表面結(jié)構(gòu)，這種新型結(jié)構(gòu)是由呈正方形的周期性金屬貼片、貼片單元上的穿孔窄縫隙以及貼片單元上相距為1mm的金屬柱構(gòu)成；兩行電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)中心帶上有一條50Ω微帶線，微帶線寬度根據(jù)介電常數(shù)和已知的頻率決定。
本發(fā)明提供的雙頻、寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)是通過下述方式制作的第一、根據(jù)已知的工作頻率、介質(zhì)厚度及其介電常數(shù)初步計算出微帶線寬度、介質(zhì)基片大小、正方形金屬貼片尺寸以及高阻表面間距；第二、利用電磁場仿真軟件(HFSS8.0版)優(yōu)化仿真確定最后尺寸。其中，工作頻率和正方形金屬貼片、介電常數(shù)之間的關(guān)系式是f=12πLC----(1)]]>而L＝μ0h (2)C=wϵ0(ϵr1+ϵr2)πcosh-1(ag)]]>式中，εr1為空氣相對介電常數(shù)，εr1＝1εr2為介質(zhì)基片相對介電常數(shù)；w為方形金屬貼片寬度；a為高阻表面結(jié)構(gòu)圓柱之間距離(見附圖1)；g為方形貼片之間距離；h為介質(zhì)基片厚度；在真空中μ0＝4π×10-7亨/米，ϵ0=136π×10-9]]>法/米綜上所述，本發(fā)明的主要優(yōu)點是顯而易見的1、穿孔結(jié)構(gòu)和高阻表面結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)；
2、具有雙頻帶隙特性；3、該結(jié)構(gòu)尺寸小于單純的穿孔型結(jié)構(gòu)和單純的高阻表面型結(jié)構(gòu)；4、兩個帶隙頻帶內(nèi)的S12都達(dá)到了約-20dB；5、以εr＝20的高介電常數(shù)的微波陶瓷材料作為例子，采用高介電常數(shù)的材料，可以縮短貼片幾何尺寸；6、實際可應(yīng)用于雙星定位收/發(fā)集成天線以及相應(yīng)工作頻率的電路中，以抑制表面波，達(dá)到降低互耦的目的。


圖1是穿孔和高阻表面相結(jié)合的電磁帶隙結(jié)構(gòu)。
圖2是穿孔和高阻表面相結(jié)合型EBG結(jié)構(gòu)的仿真模型(a)和帶隙特性曲線(b)。
圖3是單純穿孔型EBG結(jié)構(gòu)的仿真模型(a)和帶隙特性曲線(b)。
圖4是單純高阻表面型EBG結(jié)構(gòu)的仿真模型(a)和帶隙特性曲線(b)。
圖1中1.微帶線；2.穿孔窄縫隙；3.正方型金屬貼片；4.金屬圓柱。圖2、圖3、圖4中AS11曲線；BS12曲線。
具體實施例方式
通過下面的具體實施方式
以進一步闡明本發(fā)明實質(zhì)性特點和顯著的進步。
為了縮短結(jié)構(gòu)單元的尺寸，采用了εr＝20的高介電常數(shù)(簡稱為高K材料)的微波介質(zhì)材料為基片，設(shè)計出了雙頻寬帶穿孔高阻表面結(jié)構(gòu)(見附圖1)。由圖1可以看出，介質(zhì)基片呈矩形(80mm×60mm×3mm)；介質(zhì)表面上緊附著高阻表面電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)，它由三部分構(gòu)成周期性金屬貼片單元(呈正方形，尺寸為13.8mm×13.8mm)、貼片單元上的穿孔窄縫隙(每個貼片上共4條，尺寸為9mm×1mm)和貼片單元上相距為2mm的金屬圓柱(每個貼片上共9個，高度為3mm，直徑為Φ＝1mm)等；兩行電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)中心帶上有一條50Ω的微帶線(微帶線長寬為80mm×1.4mm)，當(dāng)測試微帶線S11和S12特性曲線時可以清楚地看到相應(yīng)頻帶上的截止現(xiàn)象。為了得到固定的雙頻帶隙特性，應(yīng)首先根據(jù)已知的工作頻率、介質(zhì)厚度及其介電常數(shù)初步計算微帶線寬度、介質(zhì)基片大小、方形金屬貼片尺寸、高阻表面間距等幾何尺寸，然后利用電磁場專業(yè)軟件(高頻電磁場仿真軟件HFSS8.0版)優(yōu)化仿真確定最后尺寸。具體實施的方法為第一、采用人工燒結(jié)的方式來制作一定厚度的，具有高介電常數(shù)(εr＝20)，均勻性良好的襯底材料，結(jié)合絲網(wǎng)印刷技術(shù)來完成厚膜焙銀。
第二、穿孔結(jié)構(gòu)和高阻表面相結(jié)合型EBG結(jié)構(gòu)帶隙特性如附圖2所示，單純穿孔型EBG結(jié)構(gòu)的帶隙特性曲線如圖3所示，單純高阻表面型EBG結(jié)構(gòu)的帶隙特性曲線如圖4所示，從上述幾幅帶隙特性圖可以看出同尺寸的穿孔型和高阻表面型EBG結(jié)構(gòu)的帶隙中心頻率都偏高于兩者相結(jié)合型EBG結(jié)構(gòu)帶隙中心頻率。
權(quán)利要求
1.一種雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的結(jié)構(gòu)是一種穿孔結(jié)構(gòu)和高阻表面結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)。
2.按權(quán)利要求1所述的雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于在所述的電磁帶隙結(jié)構(gòu)中介質(zhì)基片呈矩形，介質(zhì)基片表面緊附著穿孔結(jié)構(gòu)和高阻表面結(jié)構(gòu)；其阻帶中心頻率分別為1.6GHZ和2.4GHZ；帶寬分別為±7.5MHZ。
3.按權(quán)利要求2所述的雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的介質(zhì)基片的表面緊附的穿孔結(jié)構(gòu)和高阻表面結(jié)構(gòu)是由周期性金屬貼片單元、貼片單元上的穿孔窄縫隙以及貼片單元上的金屬圓柱構(gòu)成。
4.按權(quán)利要求2或3所述的雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于采用εr＝20的高介電常數(shù)的微波介質(zhì)材料為介質(zhì)基片。
5.按權(quán)利要求3所述的雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于周期性金屬貼片單元呈正方形，每個貼片上有4條穿孔窄縫隙，每個貼片單元上有9個金屬圓柱，彼此相距2mm。
6.按權(quán)利要求2或3所述的雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于在兩行電磁帶隙結(jié)構(gòu)中心帶上有一條50Ω的微帶線，微帶線的寬度根據(jù)介質(zhì)基片的介電常數(shù)和已知頻率決定。
7.制作如權(quán)利要求1至3中任何一項所述的雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于具體步驟是(1)根據(jù)已知的工作頻率、介質(zhì)厚度及其介電常數(shù)初步計算出微帶線寬度、介質(zhì)基片大小、正方形金屬貼片尺寸以及高阻表面間距；(2)利用電磁場HFSS8.0版的仿真軟件優(yōu)化仿真確定最后尺寸，其中，工作頻率和正方形金屬貼片、介電常數(shù)之間的關(guān)系式是f=12πLC---(1)]]>而L＝μ0h (2)C=wϵ0(ϵr1+ϵr2)πcosh-1(ag)]]>式中，εr1空氣相對介電常數(shù)εr2介質(zhì)基片相對介電常數(shù)w方形金屬貼片寬度a高阻表面結(jié)構(gòu)圓柱之間距離g方形貼片之間距離h介質(zhì)基片厚度。
8.按權(quán)利要求7所述的雙頻寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于在真空中μ0＝4π×10-7亨/米，ϵ0=136π×10-9]]>法/米。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙頻寬帶電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)及制作方法。其特征在于提供的結(jié)構(gòu)是一種穿孔結(jié)構(gòu)和高阻表面結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)，電磁帶隙結(jié)構(gòu)中介質(zhì)基片呈矩形，介質(zhì)基片表面上緊附著穿孔結(jié)構(gòu)和高阻表面結(jié)構(gòu)；其阻帶中心頻率分別為1.6GHZ和2.4GHZ。在介質(zhì)基片表面上緊附的穿孔結(jié)構(gòu)和高阻表面結(jié)構(gòu)是由周期性金屬貼片單元、貼片單元上的穿孔窄縫隙以及貼片單元上的金屬圓柱構(gòu)成。根據(jù)已知的工作頻率、介質(zhì)厚度及其介電常數(shù)初步計算出微帶線寬度、介質(zhì)基片大小、正方形金屬貼片尺寸以及高阻表面間距；利用電磁場HFSS8.0版的仿真軟件優(yōu)化仿真確定最后尺寸。有望應(yīng)用于雙星定位收/發(fā)集成天線及相應(yīng)工作頻率的電路中。
文檔編號H01Q1/38GK1688066SQ20051002513
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月15日
發(fā)明者孫曉瑋, 包烏云, 包秀龍 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所