1、    緊湊型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法分析        劉 濤, 曹祥玉, 文 曦, 林 時(shí)間:2008年12月02日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        ? 摘? 要:? 關(guān)鍵詞: 電磁帶隙; Bragg散射; 局域諧振; 交指結(jié)構(gòu); 螺旋結(jié)構(gòu);

2、 緊湊? 在過去的近十年中,電磁帶隙EBG(Electromagnetic Bandgap)結(jié)構(gòu)成為微波和毫米波領(lǐng)域中一個(gè)研究的熱點(diǎn)課題,它的帶隙形成機(jī)理和在電磁各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究, 證實(shí)了其在改善微波器件和天線性能方面具有明顯的作用1-96,10-14,并且獲得了很好的效果。本文總結(jié)了電磁帶隙結(jié)構(gòu)兩種不同類型帶隙形成機(jī)理的成因,給出了設(shè)計(jì)小型化緊湊EBG結(jié)構(gòu)的思路,并依據(jù)此思路設(shè)計(jì)了一種緊湊型EBG結(jié)構(gòu)。?1 設(shè)計(jì)方法? 根據(jù)目前已有文獻(xiàn)的理論分析,EBG結(jié)構(gòu)的帶隙形成機(jī)制可分為兩種:一種是Bragg散射機(jī)制,包括介質(zhì)基底鉆孔和接地面腐蝕兩種結(jié)構(gòu)類型;另一種是局域諧振

3、機(jī)制,包括mushroom-EBG結(jié)構(gòu)和UC-EBG(Uniplanar Compact Electromagnetic Bandgap)結(jié)構(gòu)。由于帶隙形成機(jī)制的不同,在EBG結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)方法上也就有所不同。?1.1? Bragg散射型EBG結(jié)構(gòu)? 此時(shí)帶隙的產(chǎn)生主要是因Bragg散射引起,單元周期性的排列引起散射波相位的周期性分布,在特定頻率和特定方向上,各單元的散射波造成反相疊加,互相抵消,從而使得電磁波不能傳播,形成頻率帶隙。此時(shí)EBG的周期間距a需滿足Bragg條件,即:? ? 其中c為光速,r和eg是EBG帶隙頻率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長。? 從式(1)、(2)和(3)可以看出,要想設(shè)計(jì)在某一

4、頻率處的Bragg型EBG結(jié)構(gòu),其周期a主要與它的相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)。利用高介電常數(shù)介質(zhì)基底可以減小它的周期,但這種減小是非常有限的,而且在實(shí)際工程中,由于其結(jié)構(gòu)太大,這種類型的EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用相對(duì)較少,因此這里只作簡單介紹。?1.2 局域諧振型EBG結(jié)構(gòu)? 與Bragg散射機(jī)理不同,在這種類型的EBG結(jié)構(gòu)中,周期單元本身的諧振效應(yīng)在帶隙形成中起主要作用。這種EBG往往通過對(duì)單元結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì),使得其單元可等效為局域諧振特性比較強(qiáng)的并聯(lián)LC電路,以增加單元的諧振性能,然后利用單元諧振時(shí)電抗無窮大的特性,阻止諧振頻率附近的電磁波傳播,以形成頻率帶隙。帶隙的中心頻率和帶寬由下式?jīng)Q定2:? 從(4)式中

5、可以看出,為了獲得緊湊的EBG結(jié)構(gòu),應(yīng)該利用各種方法增大單元等效電感和電容,以降低帶隙中心頻率。這也就意味著,在相同的帶隙中心頻率下,具有較大單元等效電感和電容的結(jié)構(gòu)就具有較小的周期和結(jié)構(gòu)尺寸。但從(5)式又看出,帶隙寬度與單元等效電容平方根成反比,與單元等效電感平方根成正比,增大電容在降低頻率的同時(shí)會(huì)使得帶隙寬度減小,而增大電感在降低頻率的同時(shí)使得帶隙寬度增大。因此,最理想的當(dāng)然就是既降低帶隙中心頻率又有較大的帶隙寬度,增大等效電感就成為最好的選擇。?11,1516(共面螺旋電感是微波電路中廣泛使用的一種方法)。這兩種方法都可以比較充分地利用有限單元空間,使EBG結(jié)構(gòu)更為緊湊。利用它們?cè)O(shè)計(jì)不

6、同的EBG結(jié)構(gòu)圖案,可以獲得比較理想的結(jié)果。?2 新型UC-EBG結(jié)構(gòu)? 依據(jù)上面分析的設(shè)計(jì)思路,對(duì)參考文獻(xiàn)13中提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。參考文獻(xiàn)13設(shè)計(jì)的EBG結(jié)構(gòu)如圖3,它也是對(duì)圖2經(jīng)典結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn),獲得了比較理想的帶隙結(jié)果。圖3所示結(jié)構(gòu)增大了空缺深度d,減小了空缺的寬度g,這就增加了連接枝條和邊緣貼片的長度,相應(yīng)地提高了單元等效電感值和等效電容值,使得EBG結(jié)構(gòu)的帶隙頻率與圖2結(jié)構(gòu)相比有明顯的降低。? 但從圖3設(shè)計(jì)中可以看到,其結(jié)構(gòu)并沒有充分利用單元空間,中間部分仍有相當(dāng)大的冗余空間。為了利用這部分空間,依據(jù)前面分析的設(shè)計(jì)思路,把連接枝條由直線變換成折線形式,如圖4。這就進(jìn)一步提高了連接

7、枝條的長度,增大了單元等效電感值,降低了帶隙頻率,而且依據(jù)(5)式,在某種程度上抵消了電容增加對(duì)帶寬的影響,保持了一定的帶隙寬度。改進(jìn)的EBG結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)為a=7.4mm,d=7.2mm,w=g=0.2mm,b=6.8mm,介質(zhì)基板厚h=1.5mm,介電常數(shù)r=2.5。利用Ansoft HFSS仿真,圖5給出了同周期下圖3結(jié)構(gòu)的色散圖。從圖中可看出其第一、二模式之間帶隙從3.47GHz3.67GHz,絕對(duì)帶寬BW=200MHz,相對(duì)帶寬5.6%。圖6是圖4改進(jìn)結(jié)構(gòu)的色散圖,其第一、二模式之間帶隙從2.83GHz3.73GHz,絕對(duì)帶寬BW=900MHz,相對(duì)帶寬27.4%,周期為自由空間波長的

8、8%。兩者相比,帶隙下沿頻率降低了18.4%,上沿頻率基本持平,絕對(duì)帶寬增加了3.5倍,相對(duì)帶寬增加了4.89倍。可見改進(jìn)后的EBG結(jié)構(gòu)帶隙結(jié)果還是非常理想的。? EBG結(jié)構(gòu)的理論研究經(jīng)過近十年的發(fā)展已日趨成熟,其工程應(yīng)用自然成為其下一步發(fā)展的一個(gè)主要方向,工程應(yīng)用對(duì)EBG結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要要求就是其緊湊小型化。本文依據(jù)EBG結(jié)構(gòu)帶隙形成機(jī)理,給出了利用交指和共面螺旋結(jié)構(gòu)(或折線結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)緊湊EBG結(jié)構(gòu)的方法。利用這個(gè)方法設(shè)計(jì)了一種新型的EBG結(jié)構(gòu),在3.28GHz附近得到了900MHz的帶寬,相對(duì)帶寬27.4%,證實(shí)了設(shè)計(jì)思路的有效性。?參考文獻(xiàn)?1 YABLONOVITCH E. Photon

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