本發(fā)明提出了一種基于缺陷地的新型漸變型的EBG結構，突出的優(yōu)點是它的寬阻帶和小型化特性，屬于電磁波傳播與接收的技術領域。

背景技術：

1.EBG概念及其發(fā)展

EBG(電磁帶隙結構：ElectromagneticBandGap)的概念實際上來自光子晶體(Photonics crystal)概念的推廣，是指人造的周期性結構(有時也是非周期的)，能夠阻止或者促進特定頻域內所有入射波和所有極化狀態(tài)的電磁波的傳播。它是由美國Bell實驗室的Yablonovitch和Princeton大學的S.John，1987年分別在討論如何抑制自發(fā)輻射和無序電介質材料中的光子局域諧振時，各自獨立的提出的。光子晶體是一種非常典型的光子帶隙(PhotonicBandgap,PBG)材料，帯隙的概念逐漸在微波頻段廣泛研究，逐漸稱之為EBG。

在20世紀90年代末期，兩種重要的平面EBG結構被提出，一種是1999年提出蘑菇形的EBG結構(文獻1，D.Sievenpiper,L.Zhang,R.F.J.Broas,N.G.Alexopolus,and E.Yablonovitch.Highimpedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band.IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.47,2059–74,1999.)；另一種是1999年提出的共面緊湊型EBG結構(文獻2，F.-R.Yang,K.-P.Ma,Y.Qian,and T.Itoh.Auniplanar compact photonic-bandgap(UC-PBG)structure andits applications formicrowave circuits.IEEETrans.Microwave TheoryTech.,vol.47,no.8,1509–14,1999.)。

2.EBG阻帶特性

EBG結構具有兩個顯著的特性：一是阻止特定頻率內電磁波的傳播；二是對特定頻率內的入射波具有同相的反射波，類似于自然界中不存在的理想磁導體。本發(fā)明是針對EBG結構的表面波特性，即阻止特定頻率內電磁波的傳播的特性進行研究的。表面波的傳播在天線輻射中是一個重要問題，它要消耗一部分能量，影響天線輻射，從而降低了天線的增益。電磁帶隙結構具有禁帶特性，通過在天線輻射體周圍引入電磁帶隙結構，可抑制表面波在天線表面的傳播，使能量集中向主輻射方向輻射，提高天線的增益。

3.漸變型EBG

根據Bragg散射條件可知a＝λ_g/2，a是周期單元的尺寸，λ_g是頻率對應的波導波長，EBG結構單元的大小與帯隙中心頻率對應的導波波長成正比，漸變型的EBG中每個結構單元之間的尺寸不同，可以產生不同的中心頻率，不同的中心頻率相互疊加可以拓寬EBG的帶隙，使得漸變型EBG具有普通EBG不能相比的寬阻帶特性。

4.EBG小型化

在之前的參考文獻(文獻3，Shao Ying Huang,and Yee Hui Lee.TaperedDual-Plane Compact Electromagnetic Bandgap Microstrip Filter Structures.IEEETrans.Microwave Theory Tech,VOL.53,NO.9,2005)中，設計的漸變型EBG結構都是由一個初始單元為基礎，以小-->大-->小的趨勢逐漸變化，這種變化過程即使減小各個結構單元之間的距離，實際尺寸也不會太小，所以我們采用改變變化趨勢來實現小型化。

技術實現要素：

本發(fā)明通過使用漸變結構設計EBG，達到拓寬阻帶的效果，并提出了一種有效的減小EBG尺寸的方法。

1.本發(fā)明的具體內容

對于EBG的寬頻帶特性來說，我們期望阻帶足夠寬、抑制深度足夠強。

(1)設計了一種在微帶線上蝕刻“I”字型單元的EBG結構，然后使用缺陷地結構拓寬EBG的阻帶，具體結構如圖3(a)所示。

(2)設計了新的漸變方式，令周期性的結構單元從小到大變化來代替以往文獻中提到的從小逐漸變大再減小的漸變方式。經過圖6的對比可知，經過這種改變后的EBG體積從65*20mm²變?yōu)?0*20mm²，改變后的體積只是原來的61.5％，大大實現了小型化。而且前后兩種結構的性能相差不多，實現的阻帶帶寬近似相等。

(3)設計了周期性的結構單元與缺陷地結構均按照相同的比例進行漸變的漸變模式，經過最后的參數優(yōu)化確定漸變比例為1.2。

(4)最終經過各項參數優(yōu)化(基板厚度、微帶線寬度、“I”字的寬度等)，最終確定如圖3(a)所示的結構，參數為：d₀＝2mm，w₁＝3.5mm，d₁＝2.7mm，w₅＝2.34mm，L₁＝6.8mm，a＝2.5mm，R₁＝3.2mm。

2.本發(fā)明的優(yōu)點如下：

(1)本發(fā)明提出通過設計不等距的漸變型EBG結構，產生不同的中心頻率，這些中心頻率相互疊加可拓寬阻帶。

(2)本發(fā)明提出改變以往的漸變方法，可以達到減小尺寸的目的。

(3)本發(fā)明設計使用漸變型的缺陷地結構，通過與漸變型的表面結構結合從而拓寬阻帶。

(4)本發(fā)明的漸變型EBG的結構單元只需要3個以上就可以實現較寬的禁帶效應。

(5)本發(fā)明的漸變型EBG的阻帶1.88—29.2GHz(帶寬27.3GHz)，阻帶比一般EBG寬很多。

(6)本發(fā)明的漸變型EBG結構簡單，易于加工，可以使用印制電路板制作。

(7)本發(fā)明的漸變型EBG結構可用于天線的設計以及低通濾波器的設計。

3.本發(fā)明的原理如下：

(1)根據布拉格散射條件：

λ_g是波導波長，f₀是阻帶的中心頻率，c是光速。

公式(1)中，帶有缺陷地的介電常數ε_eff由以下公式得出：

ε_r是基板介電常數，h是基板厚度，w是上表面微帶線的寬度。

綜合公式(1)和公式(2)可以得出每個單元間的距離為：

根據公式(3)可知，當ε_eff確定以后，中心頻率f₀與周期單元間距d₁成反比例，不同的間距會產生不同的中心頻率。本設計從這點入手，利用漸變型結構產生不同的中心頻率，然后通過頻率疊加拓寬阻帶。

(2)缺陷地結構(DGS)是在地面上開出不同的缺陷槽，這種結構可以提高介質的有效介電常數，并且影響表面電流分布，只用一個或者幾個這樣的結構就可以在某些頻帶內產生帶隙。文中的缺陷地結構位于上表面?zhèn)鬏斁€的下方，可以減少上表面?zhèn)鬏斁€與地面的耦合，產生并聯(lián)電容和有效的線性電感。缺陷的面積越大，有效串聯(lián)電感越大，諧振頻率越低，可以提高阻帶抑制能力。

(3)由原理1我們可以知道相同的間距產生的中心頻率是相同的，所以理論上采用以往文獻中的對稱漸變方式中前半部分的漸變過程就可以實現與其基本相同的阻帶特性。根據圖3(b)中的結論也證明了這一點，而二者的不同可能是因為基板的大小對阻帶產生的影響。

附圖說明

圖1(a)為初始設定的等距非漸變型的也沒有使用缺陷地結構的普通EBG，它只用了3個基本單元。(b)為分別使用3個、5個、7個基本單元的不同的EBG仿真出來的S21參數圖，因為不同的結構單元數越多對S11參數的影響并不大，所以結果圖中并沒有列出該參數。有效的阻帶取S21參數位于-20dB的頻率帶，從圖中可以看出，使用基本單元數越多的EBG，其阻帶越趨于平穩(wěn)，而且阻帶越寬。

圖2(a)是使用7個基本單元的漸變型EBG，它的漸變過程與文獻1中相類似，類似遵從切比雪夫漸變模式，整體大小為20*65*0.6mm³。但是如圖所示，本設計中每個基本單元之間的距離都是相同的，但每個“I”字型都以1.2的比例逐漸變化，這種變化方式同樣使得這種周期性結構的中心距離不同。(b)為不使用漸變型和缺陷地結構的EBG、使用漸變型不用缺陷地的EBG和使用漸變型和缺陷地的EBG三者的S參數的對比圖，經過觀察可以看出：不使用漸變型和缺陷地結構的EBG只在4到12GHz的范圍內效果比較好，在12GHz之后S11參數急劇惡化；改用漸變型的EBG雖然在S21參數上性能沒有很好，但是它大大改善了S11參數；最后再添加上缺陷地結構之后，可以看到在4到30GHz整個頻帶內都能實現阻抗特性。這種改善是十分明顯的。

圖3(a)改變漸進方式之后的小型化EBG結構，它只有從小變大的一步漸進過程，整體大小為20*40*0.6mm³，體積只有原來的61.5％。它以中間傳輸線為基礎上下對稱，主要參數有微帶線的寬度d₀，“I”字型上面長方形的長寬w₁和d₁、中間長方形的長寬w₅和L₁，兩個結構單元間的不變距離a。經過參數優(yōu)化，d₀＝2mm，w₁＝3.5mm，d₁＝2.7mm，w₅＝2.34mm，L₁＝6.8mm，a＝2.5mm，R₁＝3.2mm，余下三個結構依次以1.2倍逐漸漸變。缺陷地的結構可參考圖2(a)，第一個圓型的半徑為3.2mm，其余兩個依次以1.2倍逐漸漸變，三個圓孔的圓心分別在上表面兩個單元間的中心位置。(b)為小型化前后的S參數圖，對比后可以看出體積減小后二者的阻抗特性仍基本一致，在低頻段小型化之后的EBG性能更優(yōu)于之前。高頻段的差距可能是由于基板減小所致，但小型化后實現的阻帶差別并不明顯。

圖4(a)(b)(c)分別是普通EBG、漸變EBG、漸變加缺陷地EBG在低頻段(3GHz)處的表面電流圖。經過觀察可以看出普通的EBG第二個和第四個單元上電流都比較大，可見普通EBG并不能抑制從左到右的低頻段信號傳輸；使用漸進型后第三個結構單元電流比之前兩個小很多，第四個單元基本沒有電流，可見漸變型可以初步抑制低頻段信號傳輸；再增加缺陷地結構后可以看出在第二個單元處電流就明顯減小，對低頻段信號的抑制能力進一步得到提升。

圖5是使用HFSS軟件進行本次仿真的建模結構圖：所用基板使用厚度h＝0.6mm，介電常數為4.4，損耗正切為0.002的FR-4材料，基板上表面在微帶線上蝕刻“I”字結構，下表面開圓形槽，基板兩側的端口設為集總端口，外面為空氣盒。

圖6是制作完的實物圖，分別制作了小型化前后的兩種EBG。

具體實施方式

通過下面具體的實施方式進一步闡明本發(fā)明的特點和顯著進步。

第一步首先研究不同結構單元數對S參數的影響。使用介電常數為4.4、損耗正切為0.002的FR-4的基板，在上表面中間的傳輸線上蝕刻等距、等大小的“I”型結構，如圖1(a)所示，然后分別使用3個、5個、7個單元結構進行對比，來選擇適當的單元數。經過圖1(b)的對比發(fā)現，單元數對S11參數的影響不是很大，對于S21參數，單元數越多形成的帶隙越寬。

第二步是構造使用7個結構單元的漸變型的具有缺陷地的結構，將其與非漸變型的結構進行對比。就我們所知，為了利用EBG的表面波特性，需要綜合考慮兩個S參數，截取的頻段要求S11參數在-10dB以上，S21參數在-20dB以下。如圖2(b)所示，我們對比二者的S參數，發(fā)現：使用漸變型的結構雖然S21參數不盡如人意，但它對S11在12到25GHz頻帶內的改善是非常明顯的，并且產生了多個諧振點，這使得拓寬頻帶成為可能；然后再使用漸變的缺陷地結構進一步拓寬頻帶。

第三步是進行小型化優(yōu)化，改變漸變方式，令周期型結構只經歷從小變大的漸變過程，然后對各項參數進行優(yōu)化。優(yōu)化后的具體參數為d₀＝2mm，w₁＝3.5mm，d₁＝2.7mm，w₅＝2.34mm，L₁＝6.8mm，a＝2.5mm，R₁＝3.2mm，最終的漸變比例定為1.2，對比發(fā)現改變后的結構不僅體積明顯減小，性能仍然很好。根據圖3(b)的S參數曲線我們可以看出，小型化前后的可用頻帶近似相等，而且在低頻段小型化后的EBG性能更由于小型化之前。

第四步是進行實物制作，制作的過程中需要用到AutoCAD、Altium Designer兩個軟件。分別制作了小型化前后的兩個EBG，經過圖6實物的對比我們也可以看出小型化也實現得比較明顯。