本發(fā)明提出了一種基于缺陷地的新型漸變型的EBG結(jié)構(gòu)，突出的優(yōu)點(diǎn)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(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1.EBG概念及其發(fā)展

EBG(電磁帶隙結(jié)構(gòu)：ElectromagneticBandGap)的概念實(shí)際上來(lái)自光子晶體(Photonics crystal)概念的推廣，是指人造的周期性結(jié)構(gòu)(有時(shí)也是非周期的)，能夠阻止或者促進(jìn)特定頻域內(nèi)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(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的Yablonovitch和Princeton大學(xué)的S.John，1987年分別在討論如何抑制自發(fā)輻射和無(wú)序電介質(zhì)材料中的光子局域諧振時(shí)，各自獨(dú)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(chēng)之為EBG。

在20世紀(jì)90年代末期，兩種重要的平面EBG結(jié)構(gòu)被提出，一種是1999年提出蘑菇形的EBG結(jié)構(gòu)(文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)(文獻(xiàn)2，F(xiàn).-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(jié)構(gòu)具有兩個(gè)顯著的特性：一是阻止特定頻率內(nèi)電磁波的傳播；二是對(duì)特定頻率內(nèi)的入射波具有同相的反射波，類(lèi)似于自然界中不存在的理想磁導(dǎo)體。本發(fā)明是針對(duì)EBG結(jié)構(gòu)的表面波特性，即阻止特定頻率內(nèi)電磁波的傳播的特性進(jìn)行研究的。表面波的傳播在天線(xiàn)輻射中是一個(gè)重要問(wèn)題，它要消耗一部分能量，影響天線(xiàn)輻射，從而降低了天線(xiàn)的增益。電磁帶隙結(jié)構(gòu)具有禁帶特性，通過(guò)在天線(xiàn)輻射體周?chē)腚姶艓督Y(jié)構(gòu)，可抑制表面波在天線(xiàn)表面的傳播，使能量集中向主輻射方向輻射，提高天線(xiàn)的增益。

3.漸變型EBG

根據(jù)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(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)，EBG結(jié)構(gòu)單元的大小與帯隙中心頻率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)成正比，漸變型的EBG中每個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的尺寸不同，可以產(chǎn)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(xiàn)(文獻(xiàn)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(shè)計(jì)的漸變型EBG結(jié)構(gòu)都是由一個(gè)初始單元為基礎(chǔ)，以小-->大-->小的趨勢(shì)逐漸變化，這種變化過(guò)程即使減小各個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的距離，實(shí)際尺寸也不會(huì)太小，所以我們采用改變變化趨勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過(guò)使用漸變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)EBG，達(dá)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(nèi)容

對(duì)于EBG的寬頻帶特性來(lái)說(shuō)，我們期望阻帶足夠?qū)?、抑制深度足夠?qiáng)。

(1)設(shè)計(jì)了一種在微帶線(xiàn)上蝕刻“I”字型單元的EBG結(jié)構(gòu)，然后使用缺陷地結(jié)構(gòu)拓寬EBG的阻帶，具體結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。

(2)設(shè)計(jì)了新的漸變方式，令周期性的結(jié)構(gòu)單元從小到大變化來(lái)代替以往文獻(xiàn)中提到的從小逐漸變大再減小的漸變方式。經(jīng)過(guò)圖6的對(duì)比可知，經(jīng)過(guò)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(lái)的61.5％，大大實(shí)現(xiàn)了小型化。而且前后兩種結(jié)構(gòu)的性能相差不多，實(shí)現(xiàn)的阻帶帶寬近似相等。

(3)設(shè)計(jì)了周期性的結(jié)構(gòu)單元與缺陷地結(jié)構(gòu)均按照相同的比例進(jìn)行漸變的漸變模式，經(jīng)過(guò)最后的參數(shù)優(yōu)化確定漸變比例為1.2。

(4)最終經(jīng)過(guò)各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化(基板厚度、微帶線(xiàn)寬度、“I”字的寬度等)，最終確定如圖3(a)所示的結(jié)構(gòu)，參數(shù)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(diǎn)如下：

(1)本發(fā)明提出通過(guò)設(shè)計(jì)不等距的漸變型EBG結(jié)構(gòu)，產(chǎn)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(dá)到減小尺寸的目的。

(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)使用漸變型的缺陷地結(jié)構(gòu)，通過(guò)與漸變型的表面結(jié)構(gòu)結(jié)合從而拓寬阻帶。

(4)本發(fā)明的漸變型EBG的結(jié)構(gòu)單元只需要3個(gè)以上就可以實(shí)現(xiàn)較寬的禁帶效應(yīng)。

(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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)可用于天線(xiàn)的設(shè)計(jì)以及低通濾波器的設(shè)計(jì)。

3.本發(fā)明的原理如下：

(1)根據(jù)布拉格散射條件：

λ_g是波導(dǎo)波長(zhǎng)，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(shù)ε_eff由以下公式得出：

ε_r是基板介電常數(shù)，h是基板厚度，w是上表面微帶線(xiàn)的寬度。

綜合公式(1)和公式(2)可以得出每個(gè)單元間的距離為：

根據(jù)公式(3)可知，當(dāng)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(huì)產(chǎn)生不同的中心頻率。本設(shè)計(jì)從這點(diǎn)入手，利用漸變型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的中心頻率，然后通過(guò)頻率疊加拓寬阻帶。

(2)缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)是在地面上開(kāi)出不同的缺陷槽，這種結(jié)構(gòu)可以提高介質(zhì)的有效介電常數(shù)，并且影響表面電流分布，只用一個(gè)或者幾個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)就可以在某些頻帶內(nèi)產(chǎn)生帶隙。文中的缺陷地結(jié)構(gòu)位于上表面?zhèn)鬏斁€(xiàn)的下方，可以減少上表面?zhèn)鬏斁€(xiàn)與地面的耦合，產(chǎn)生并聯(lián)電容和有效的線(xiàn)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(chǎn)生的中心頻率是相同的，所以理論上采用以往文獻(xiàn)中的對(duì)稱(chēng)漸變方式中前半部分的漸變過(guò)程就可以實(shí)現(xiàn)與其基本相同的阻帶特性。根據(jù)圖3(b)中的結(jié)論也證明了這一點(diǎn)，而二者的不同可能是因?yàn)榛宓拇笮?duì)阻帶產(chǎn)生的影響。

附圖說(shuō)明

圖1(a)為初始設(shè)定的等距非漸變型的也沒(méi)有使用缺陷地結(jié)構(gòu)的普通EBG，它只用了3個(gè)基本單元。(b)為分別使用3個(gè)、5個(gè)、7個(gè)基本單元的不同的EBG仿真出來(lái)的S21參數(shù)圖，因?yàn)椴煌慕Y(jié)構(gòu)單元數(shù)越多對(duì)S11參數(shù)的影響并不大，所以結(jié)果圖中并沒(méi)有列出該參數(shù)。有效的阻帶取S21參數(shù)位于-20dB的頻率帶，從圖中可以看出，使用基本單元數(shù)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(gè)基本單元的漸變型EBG，它的漸變過(guò)程與文獻(xiàn)1中相類(lèi)似，類(lèi)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(shè)計(jì)中每個(gè)基本單元之間的距離都是相同的，但每個(gè)“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(jié)構(gòu)的中心距離不同。(b)為不使用漸變型和缺陷地結(jié)構(gòu)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(shù)的對(duì)比圖，經(jīng)過(guò)觀(guān)察可以看出：不使用漸變型和缺陷地結(jié)構(gòu)的EBG只在4到12GHz的范圍內(nèi)效果比較好，在12GHz之后S11參數(shù)急劇惡化；改用漸變型的EBG雖然在S21參數(shù)上性能沒(méi)有很好，但是它大大改善了S11參數(shù)；最后再添加上缺陷地結(jié)構(gòu)之后，可以看到在4到30GHz整個(gè)頻帶內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)阻抗特性。這種改善是十分明顯的。

圖3(a)改變漸進(jìn)方式之后的小型化EBG結(jié)構(gòu)，它只有從小變大的一步漸進(jìn)過(guò)程，整體大小為20*40*0.6mm³，體積只有原來(lái)的61.5％。它以中間傳輸線(xiàn)為基礎(chǔ)上下對(duì)稱(chēng)，主要參數(shù)有微帶線(xiàn)的寬度d₀，“I”字型上面長(zhǎng)方形的長(zhǎng)寬w₁和d₁、中間長(zhǎng)方形的長(zhǎng)寬w₅和L₁，兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元間的不變距離a。經(jīng)過(guò)參數(shù)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(gè)結(jié)構(gòu)依次以1.2倍逐漸漸變。缺陷地的結(jié)構(gòu)可參考圖2(a)，第一個(gè)圓型的半徑為3.2mm，其余兩個(gè)依次以1.2倍逐漸漸變，三個(gè)圓孔的圓心分別在上表面兩個(gè)單元間的中心位置。(b)為小型化前后的S參數(shù)圖，對(duì)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(shí)現(xiàn)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(jīng)過(guò)觀(guān)察可以看出普通的EBG第二個(gè)和第四個(gè)單元上電流都比較大，可見(jiàn)普通EBG并不能抑制從左到右的低頻段信號(hào)傳輸；使用漸進(jìn)型后第三個(gè)結(jié)構(gòu)單元電流比之前兩個(gè)小很多，第四個(gè)單元基本沒(méi)有電流，可見(jiàn)漸變型可以初步抑制低頻段信號(hào)傳輸；再增加缺陷地結(jié)構(gòu)后可以看出在第二個(gè)單元處電流就明顯減小，對(duì)低頻段信號(hào)的抑制能力進(jìn)一步得到提升。

圖5是使用HFSS軟件進(jìn)行本次仿真的建模結(jié)構(gòu)圖：所用基板使用厚度h＝0.6mm，介電常數(shù)為4.4，損耗正切為0.002的FR-4材料，基板上表面在微帶線(xiàn)上蝕刻“I”字結(jié)構(gòu)，下表面開(kāi)圓形槽，基板兩側(cè)的端口設(shè)為集總端口，外面為空氣盒。

圖6是制作完的實(shí)物圖，分別制作了小型化前后的兩種EBG。

具體實(shí)施方式

通過(guò)下面具體的實(shí)施方式進(jìn)一步闡明本發(fā)明的特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。

第一步首先研究不同結(jié)構(gòu)單元數(shù)對(duì)S參數(shù)的影響。使用介電常數(shù)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(xiàn)上蝕刻等距、等大小的“I”型結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示，然后分別使用3個(gè)、5個(gè)、7個(gè)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)選擇適當(dāng)?shù)膯卧獢?shù)。經(jīng)過(guò)圖1(b)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單元數(shù)對(duì)S11參數(shù)的影響不是很大，對(duì)于S21參數(shù)，單元數(shù)越多形成的帶隙越寬。

第二步是構(gòu)造使用7個(gè)結(jié)構(gòu)單元的漸變型的具有缺陷地的結(jié)構(gòu)，將其與非漸變型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)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(gè)S參數(shù)，截取的頻段要求S11參數(shù)在-10dB以上，S21參數(shù)在-20dB以下。如圖2(b)所示，我們對(duì)比二者的S參數(shù)，發(fā)現(xiàn)：使用漸變型的結(jié)構(gòu)雖然S21參數(shù)不盡如人意，但它對(duì)S11在12到25GHz頻帶內(nèi)的改善是非常明顯的，并且產(chǎn)生了多個(gè)諧振點(diǎn)，這使得拓寬頻帶成為可能；然后再使用漸變的缺陷地結(jié)構(gòu)進(jìn)一步拓寬頻帶。

第三步是進(jìn)行小型化優(yōu)化，改變漸變方式，令周期型結(jié)構(gòu)只經(jīng)歷從小變大的漸變過(guò)程，然后對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的具體參數(shù)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(duì)比發(fā)現(xiàn)改變后的結(jié)構(gòu)不僅體積明顯減小，性能仍然很好。根據(jù)圖3(b)的S參數(shù)曲線(xiàn)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(jìn)行實(shí)物制作，制作的過(guò)程中需要用到AutoCAD、Altium Designer兩個(gè)軟件。分別制作了小型化前后的兩個(gè)EBG，經(jīng)過(guò)圖6實(shí)物的對(duì)比我們也可以看出小型化也實(shí)現(xiàn)得比較明顯。