（環(huán)境科學專業(yè)論文）抑制電磁干擾的電磁帶隙結構研究(1).pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo ft h ec l o c kf r e q u e n c yo fh i g h - s p e e dd i g i t a lc i r c u i t s ，h o w t os u p p r e s ss i m u l t a n e o u ss w i t c h i n gn o i s e ( s s n ) h a sb e c o m eak e yt e c h n o l o g yi nt h e h i g hs p e e dc i r c u i td e s i g n a d d i n gd e c o u p l i n gc a p a c i t o r st oc r e a t eal o wi m p e d a n c e p a t hb e t w e e np o w e ra n dg r o u n dp l a n e si sat y p i c a lw a yt os u p p r e s st h es s n h o w e v e r , i ng e n e r a l ，t h e s ec a p a c i t o r sa r en o te f f e c t i v ea tf r e q u e n c i e sh i g h e rt h a n6 0 0 m h zd u et o t h e i rl e a di n d u c t a n c e a c c o r d i n gt ot h eb a n dg a pc h a r a c t e r i s t i co fe b g ，i tp r o v i d e sa n n e ww a yt oe f f e c t i v e l ys u p p r e s ss s n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ec h a r a c t e r i s t i co fe b gs t r u c t u r e n l ed i s s e r t a t i o n u s e st h ea n s o f lh f s ss o f t w a r ew h i c hi sb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o s i m u l a t et h ee b gs t r u c t u r e s m u s h r o o m - e b gs t r u c t u r e sa n dt h eu n i p l a n a rc o m p a c t e b g ( u c - e b g ) s t r u c t u r e sa r ea n a l y z e d a n dt h e n , t h ei m p a c to ft h es t r u c t u r e v a r i a t i o no ft h ee b go ne l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei sd i s c u s s e di nd e t a i l a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l to fe b g s t r u c t u r ew h i c hi sm e n t i o n e da b o v e ，an e w l 【i n do fm s - e b gs t r u c t u r ei sp r e s e n t e d n en u m e r i c a lr e s u l ts h o w st h a tt h i ss t r u c t u r e h a sar e l a t i v e l yw i d eb a n d w i d t h t h ec e n t e rf r e q u e n c yo ft h en e ws t r u c t u r ei s3 2 g h z ， t h es t o p b a n dr a n g ei s0 4 g h z 一6 g h z ，a n dt h er e s t r a i nd e p t hi s - 3 0 d b i tc a n e f f e c t i v e l yi n h i b i tt h es i m u l t a n e o u ss w i t c h i n gn o i s ew h i c hi 5m a i n l yd i s t r i b u t e db e l o w 6 g h z k e y w o r d s ：p c b e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e l e c t r o m a g n e t i cb a n dg a p s i m u l t a n e o u ss w i t c h i n gn o i s e 西安電子科技大學 學位論文獨創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 秉承學校嚴謹?shù)膶W風和優(yōu)良的科學道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指 導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所 羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果：也不包含為獲得 西安電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志 對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。 本人簽名：壟勾= 盔 日期2 型旦：主：彤 關于論文使用授權的說明 本人完全了解西安電子科技大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校 攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬西安電子科技大學。本人保證畢業(yè)離校后，發(fā) 表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電子科技大學。學校有權保留送交論 文的復印件，允許查閱和借閱論文；學校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采 用影印、縮印或其它復制手段保存論文。( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本學位論文屬于保密在一年解密后 本人簽名：耋顯友本人簽名：亟4 友 導師簽名：一2 幽 適用本授權書。 日期砂：! ：鄉(xiāng) 日期 第一章緒論 第一章緒論 1 1 電磁帶隙結構的研究背景和意義 光子晶體( p h o t o n i cc r y s t a l ) 的概念，是由美國u c l a 的y a b n o l o v i t c h 教授在研 究如何抑制自發(fā)輻射時在1 9 8 7 年提出的【4 2 】，幾乎在同時，j o h n 在討論光子局域時 也獨立提出這個概念【4 3 】。它是根據(jù)傳統(tǒng)的晶體概念，類比而來在固體物理研究中 發(fā)現(xiàn)，晶體中周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性電勢對電子有一個特殊的約束作 用，從而使得晶體中電子的能量本征值形成一系列的帶，能帶之間形成無能級的 電子帶隙( e l e c t r o n i cb a n d g a p ) ，同樣，在介電性質(zhì)周期變化的光子晶體中，光子的 運動類似于電子在周期勢場中的運動特性，從而導致能量譜的離散化。在某些頻 率范圍，所有入射方向上電磁波的所有偏振態(tài)都被禁止傳播，這些被禁止的頻率 區(qū)間即稱為“光子帶隙”( p h o t o n i cb a n d g a p ) ，而具有“光子帶隙的材料則被稱 為光子晶體。光子晶體最初是在光學領域提出的，但是由于光學波段的尺度很小， 加工工藝要求高，所以人工制作光子晶體存在一定的困難。由于微波頻段和光波 都屬于電磁波譜，共同遵從于m a x w e l l 方程，所以這種周期性通過縮比關系擴展 到了微波領域。對于頻率禁帶處在微波頻段的光子晶體，我們將其稱為微波光子 晶體( m i c r o w a v ep h o t o n i cc r y s t a l ：m p c ) 、電磁晶體( e l e c t r o m a g n e t i cc r y s t a l s ：e c ) 或 電磁帶隙結構( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d ：e b g ) 。 電磁帶隙( e l e c t r o m a g n e t i cb a n dg a p ，即e b g ) 是，具有一種周期性結構，能夠 使某些頻段的電磁波無法從中通過，存在明顯的禁帶特性，利用這種特性，可以 抑制電路的路間耦合，提高諧振器的q 值，制作低通濾波器、功分器等微波器件， 還可以用來抑制天線旁瓣，提高天線增益和帶寬。光子帶隙在光學方面的應用比 如制造高質(zhì)量的光鏡或者顯微孔隙，在設計效率很高的半導體光電發(fā)射器和濾波 器上是很有用的，但是極小的尺寸使得加工難度非常高。光子晶體在微波波段的 實現(xiàn)相對于紅外和激光光子晶體結構要容易一些，于是后來的研究向較低的頻率 發(fā)展尤其在現(xiàn)在的微波、毫米波中，即本文中要介紹的e b g 結構。這種e b g 結 構已用來改善天線的性能，增加功率放大器的效率和輸出功率，寬帶吸收器以及 頻率選擇表面等。 電磁帶隙結構的特性主要有：帶阻、慢波、高阻抗，它具有制作簡單、體積 小、重量輕、便于集成等優(yōu)點，在微波電路的集成性、重量及成本上都具有不可 替代的優(yōu)勢，因而可廣泛應用于微波領域。本文將重點介紹用于微波電路中的e b g 結構。利用e b g 結構的帶阻特性，可以用于設計濾波器、功分器、定向耦合器以 2 抑制電磁干擾的電磁帶隙結構研究 及濾除功率放大器中的高次諧波，提高放大器效率等。傳統(tǒng)的慢波系統(tǒng)沒有進一 步作為無源濾波器的使用主要因其大量的周期重復需要較大的衰減度，同時相應 的會引起插入損耗的增大，再者，減少濾波器的尺寸必然會降低濾波器的性能。 本文介紹的幾種周期性的e b g 結構克服了上述的種種缺點，尤其是平面結構的 e b g 單元，周期性結構完全集成在傳輸線本身上，尺寸可大大降低，可利用傳統(tǒng) 的加工工藝進行加工，簡單方便。 目前國內(nèi)外所提出的電磁帶隙結構多種多樣，一維和二維的電磁帶隙結構由 于易于實現(xiàn)且便于集成，因而在微波集成電路中得到了廣泛的應用。電磁帶隙結 構的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的設計方法，為設計高性能、高集成度的電路提供了新的途 徑，帶來了微波和毫米波集成電路設計思路的一次變革。將平面帶隙結構的研究 與各種新的集成工藝結合會使其得到更加廣泛的應用，帶給微波集成電路更快的 發(fā)展。 1 2 電磁帶隙結構的發(fā)展現(xiàn)狀 微波頻段從理論、制備到實驗測試都有相當成熟的技術和儀器設備，所以e b g 結構研究快速發(fā)展起來，并且不斷獲得新的成果。 1 9 4 6 年b r i l l o u l i n 提出一維周期結構可以用作帶阻和帶通濾波器的概念。 1 9 8 7 年y a b l o n o v i t c h 教授首先構造了世界上第一個三維的周期性e b g 結構， 該周期性結構可以在所有方向呈現(xiàn)帶隙特性。無論來波是從什么方向入射，某些 頻率的波在該結構中完全被禁止傳播，它們因為滿足布拉格條件而被反射回去。 1 9 9 0 年美國愛荷華州立大學的s o u j o u l i s 在他的文章中預測呈菱形排列的球面 晶格介質(zhì)嵌入在空氣中，或者介質(zhì)中蝕刻球狀空氣腔，在某個條件下將具有完全 的帶隙。y a b l o n o v i t c h 據(jù)此修改了他先前的設計，來近似菱形結構。如圖1 1 所示， 該結構沿菱形的三個軸線開洞，介質(zhì)材料為介電常數(shù)為1 3 的樹脂玻璃，相鄰的圓 孔的中心間隔為l c m ，圓孔半徑為0 2 3 4 c m ，這種尺寸的e b g 結構工作在1 4 g h z ， 阻帶帶寬3 g h z 。該結構被稱為關于e b g 的經(jīng)典文獻中最重要的范例之一，只需 要8 個周期，大約8 c m 大小，即可提供5 0 d b 的帶內(nèi)衰減【9 l 。 第一章緒論 圖11y a b l o n o v i t e h 觸j p b g 結構三維視圖 和其他e b g 晶體一樣，y a b l o n o v i t c h 的e b g 結構的特性可以從理論上通過解 m a x w e l l 方程獲得。如果沒有外部激勵源，由麥克斯韋方程可以得到磁場滿足的方 程： v x 南v 艚皓等荊 m ” 其中，c 是光速曰( f ) 是磁場矢量，是角頻率。如果8 ( 7 ) 是完全周期性的， 該方程的解可以用波向量t 和頻段索引”來表征。所有允帶波向量集合叫做 b f i l l o u i n 區(qū)域，所有解的集合被稱作帶結構( b t a ds m l e t u r e ) ，圖1 2 所示為上述 結構六個最低段的帶結構圖，陰影區(qū)域就是完全光子帶隙。 抻制電磁干擾的電磁帶隙結構研究 ； 之少 擎 ， 圖1 2y a b l o n o v i t c hp b g 結構的光子帶隙 1 9 9 4 年，j o s e p hw h a u s 提出了簡單立方晶格形式的e b g 結構的理論計算方 法，這個方法可以得出電磁波的顯著色散關系。同年j bp e n d r y 詳細描述了對復 雜結構e b o 的色散關系的數(shù)值計算并計算了傳輸系數(shù)和反射系數(shù)。hss o z u e r 提出了一種新穎的三維e b g 結構，即w o o d p i l e 柴堆型結構。如圖1 3 所示。它類 似于金剛石結構，利用層層疊加把一維結構層層堆積得到三維結構，從而具有三 維帶阻。這種結構在第二三四能帶之間能產(chǎn)生寬而完全的光子帶隙。實驗發(fā)現(xiàn)兩層 的w o o d p i l e 結構帶阻較小，建議采用兩層以上結構。 柴堆型e b g 結構 目1 3 柴堆鷲e b g 結構示意囝 在微波領域，e b g 結構通常采用在介質(zhì)基片上打孔的方式制作，其典型結構 如圖14 所示。 ， o o 口 0 口 0 一u愚_，口。卜芏bnbot 第一章緒論 n - ”j l 圖14 三維e b g 結構示意圈 將這種結構用于微波電路和微帶天線的設計。可以利用帶隙的特性提高諧振 腔的o 值，增加功放的輸出功率和效率提高天線增益和方向性系數(shù)等許多功能。 例如。在e b g 結構基片上做成的平i 自蝶形天線，可以完全消除背瓣得到很好的 性能。 1 9 9 8 年，y o n g x iq i a n 提出一種新的e b g 結構形式d q ，不需要在介質(zhì)基片上 打孔僅在微帶電路的接地平面上光刻出周期陣列小孔，就可以實現(xiàn)帶隙特性， 這個發(fā)現(xiàn)使得應用e b g 結構在工藝上取得了突破，使其更加實用。圖15 給出了 這種結構的典型形式，他不需增加額外的電路尺寸，也不用進行復雜加工，只需 要把普通微波電路的接地_ 甲面加以變化，因此使得e b g 結構極易應用于微帶電路。 圖15 蝕刻底板的e b g 結構三維視圖 1 9 9 9 年u c l a 的ds i e v e n p i p e r 和e y a b l o n o v i t e h 提出一種諧振型e b g 結構 即m u s h r o o m ( 蘑菇) 形e b g 結構p “，現(xiàn)也被稱為高阻抗磁表面( h i g h i m p e d a n c e s u r f a c e ) 1 3 5 1 , 如圖16 所示，并成功的應用于微帶天線，同樣可以抑制天線的表而 波改善天線性能。重要的是這種e b g 結構是和集成電路工藝相融臺的，因此它 的制備加工就變得相當容易。也j 下因為這方面的優(yōu)點，這種e b g 結構經(jīng)提出， 就受到各國科研工作者的廣泛關注。 6 抑制電磁干擾的電磁帶隙結構研究 圖1 6m u s h r o o m e b g ( 蘑姑狀) 結構的側面圖和俯視圖 隨后，u c l a 的y o n g x iq i a n 和t i t o h 提出了另外一種諧振型e b g 結構即共 面緊湊型光子晶體( u n i p l a n a rc o m p a c tp h o t o n i cb n a d g a p ：u c p b g ) 3 3 】。這種結 構與上述高阻抗電磁表面的不同之處在于它不存在導電過孔，只是其印制金屬貼 片的形狀與前者相比要復雜些，如圖1 7 所示。它正是利用金屬貼片的這種復雜性 提供電感和電容，來構成并聯(lián)的l c 諧振電路。由于這種結構不必打孔，加工工藝 更為簡單，現(xiàn)已得到廣泛的應用。 上 s 1 圖1 7u c e b g 結構的俯視圖 2 0 0 4 年g i t 的j i n w o oc h o i 和v i n ug o v i n d 等提出了一種新型的電磁帶隙結構 ( a i e b g ) 0 8 】，如圖1 8 所示，其形成原理和u c e b g 是不同的，它是基于濾波 | 1 l l a il土 第一章緒論 7 器的理論形成的電磁帶隙結構，也可以叫階躍阻抗e b g 或者叫可變阻抗e b g ，它 是有一個高阻抗和一個低阻抗級聯(lián)起來形成的濾波器，阻抗的波動，導致電磁波 在某個禁帶禁止傳播，從而形成阻帶，可以用濾波理論去解釋其形成的原理。迄 今為止，新的理論和觀點還在不斷的涌現(xiàn)。 圖1 8a i e b g 單元結構圖 1 3 研究目標和工作安排 隨著高速數(shù)字電路和高集成度芯片技術的飛速發(fā)展，電路中的電源完整性和 電磁兼容性問題日益嚴重。這些問題的出現(xiàn)給系統(tǒng)硬件設計帶來了更大的挑戰(zhàn)， 高速p c b 的信號完整性、電源完整性和電磁兼容性設計己經(jīng)成為系統(tǒng)設計能否成 功的主要因素。由于e b g 結構具有高阻抗特點，在諧振頻率范圍內(nèi)，阻止表面波 的傳播，形成特定的頻率帶隙，考慮將其應用于抑制電磁干擾、提高系統(tǒng)電磁兼 容性的方向成為了可能。 隨著e b g 結構的研究越來越深入，如何實現(xiàn)e b g 結構的小型化和有效地展 寬e b g 結構的帶隙帶寬，是目前e b g 結構研究領域內(nèi)的重要的研究內(nèi)容，這也 是本論文研究的主要內(nèi)容。本文主要針對目前微波集成電路中集成化和小型化的 要求，比較深入地研究了幾種類型的電磁帶隙結構的帶阻特性，然后介紹了一種 新型的e b g 結構，并且對它進行了建模和詳細的分析。 第一章主要介紹了課題的背景和意義，以及e b g 結構的起源，回顧了電磁帶 隙材料的發(fā)展簡史。 第二章簡要的介紹了電磁帶隙材料的分類和應用。 在第三章、第四章分析了兩種適合于平面電路集成化，主要用于微帶電路中 8 抑制電磁干擾的電磁帶隙結構研究 的電磁帶隙結構，一種是位于金屬接地面上方的單層的高阻抗表面 ( m u s h r o o m e b g 結構) ；第二種是共面緊湊e b g 結構。從得到的散射參數(shù)中可 以發(fā)現(xiàn)這兩種e b g 單元都表現(xiàn)出顯著的慢波特性和阻帶特性，對產(chǎn)生的電磁干擾 進行了有效地抑制；并且除了具有減少尺寸和能抑制不需要的頻率之外還具有易 于加工的優(yōu)點。仿真實驗中，首先對仿真模型的經(jīng)典結構進行了詳細的描述，同 時分別對每一類型的改進結構進行了對比仿真，然后對仿真結果進行比對分析， 最終詳細討論了各種共面e b g 結構對抑制電磁干擾效果的影響。 第五章在傳統(tǒng)的a i e b g 結構基礎上提出一種新型的m s e b g 結構，并對其 進行詳盡的仿真分析，最后得出新型e b g 結構的阻帶范圍為0 4g h z 6g h z ，抑 制深度為3 0 d b ，能夠有效地抑制6g h z 以下的同步開關噪聲。 第二章電磁帶隙結構概述 9 第二章電磁帶隙結構概述 2 1 引言 光子晶體最初是在光學領域提出的，但是由于光學波段的尺度很小，加工工 藝要求高，所以人工制作光子晶體存在一定的困難。后來這種周期性通過縮比關 系擴展到微波領域，加工上的難題不復存在。對于頻率禁帶處在微波頻段的光子 晶體，我們將其稱為微波光子晶體( m i c r o w a v ep h o t o n i ec r y s t a l ：m p c ) 、電磁晶體 ( e l e c t r o m a g n e t i cc r y s t a l s ：e c ) 或電磁帶隙結構( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d ：e b g ) 。微波領 域從理論分析、制備到實驗測試都有了相當成熟的技術和儀器設備，所以電磁帶 隙結構在微波波段的研究快速開展起來，不斷獲得新的成果，電磁帶隙結構相關 理論及應用的研究已經(jīng)成了一個重要的研究方向。電磁帶隙在微波波段的研究設 計濾波器、混合器、諧振器、高效放大器、低損慢波線、諧波抑制器、高性能微 波天線、相控陣天線等，覆蓋范圍非常廣泛。 2 2 電磁帶隙結構的分類 e b g 結構是具有帶阻特性的周期性結構，可以采用金屬、介質(zhì)、鐵磁或鐵電 物質(zhì)植入基質(zhì)材料，或者直接由各種材料周期性排列而成。早期的e b g 結構主要 是三維結構，e b g 的實現(xiàn)是由對介質(zhì)進行化學腐蝕，激光打孔或離子束刻蝕；或 者約束球形或條形電介質(zhì)在液體或氣體中的有序排列等方法實現(xiàn)。 在隨后的十幾年里，e b g 結構的研究一直是學術界的熱點研究課題。e b g 結 構根據(jù)其不同特點和性能，可分為很多種類，主要分類方法有：按傳輸線的不同 類型分為微帶線上、共面線上、槽線上、共面波導上等的電磁帶隙結構；按周期 性結構的空間維數(shù)分為一維、二維、三維結構：按周期的形狀分為立方形、三角 形、面心形、體心形、和鉆石形等；按媒質(zhì)材料分為介質(zhì)、金屬、及金屬介質(zhì)混 合體等；按材料的性質(zhì)分為各向同性、各向異性、旋波( c h i r a l ) 媒質(zhì)、及雙各向異 性等：按周期單元的結構實現(xiàn)分為接地板蝕孑lp b g 結構( 用于微波電路) 、及基片 上鉆孔、介質(zhì)或金屬桿排列( 用于天線中) 等。盡管e b g 結構的種類及形式繁多， 但其共同基本原理都能有效地抑制阻帶范圍內(nèi)的電磁波，借以提高電路元件或天 線的性能。 目前國內(nèi)外提出的e b g 結構多種多樣，比如在介質(zhì)基板中穿孔，或在介質(zhì)基 板中填充其他材料或金屬，在微帶電路表面環(huán)繞冗余部分形成e b g 結構，而后一 1 0 抑制電磁干擾的電磁帶隙結構研究 種類型更適合于集成化的要求。 e b g 結構根據(jù)其維數(shù)可以分為一維，二維和三維結構，根據(jù)其結構特性主要 有接地板缺陷型( d g s ，d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ) ，基底打孔型，高阻抗表面型， 共面緊湊式( u c ，u n i p l a n n a rc o m p a c t ) e b g 結構四種。現(xiàn)在的研究主要集中在一 維和二維結構的e b g ，一維結構主要用于帶阻濾波的設計上，二維結構主要用于 抑制微帶天線的表面波，改善匹配，提高天線輻射性能等方面。 綜上所述，e b g 結構可以按以下幾個方面分類： 1 按照e b g 結構的實現(xiàn)和制作方法可以分為： 1 ) 介質(zhì)層打孔 2 ) 摻雜介質(zhì)層 3 ) 刻蝕微帶線介質(zhì)襯底的接地板 4 ) 刻蝕共面結構的接地面或者導帶 5 ) 刻蝕微帶傳輸線接地面或者導帶 2 按照e b g 結構的周期性可以分為： 1 ) 周期性結構 a ) 離散的周期性結構 b ) 連續(xù)的周期性結構 2 ) 組合型結構 a ) 串聯(lián)結構 b ) 并聯(lián)結構 3 按照e b g 結構中周期單元的分布方向可以分為： 1 ) 一維結構 2 ) 二維結構 3 ) 三維結構 2 3 電磁帶隙結構的應用 近年來，隨著人們對e b g 結構的理論及工程應用范圍的進一步發(fā)展和拓寬， e b g 結構已廣泛地應用于微波工程領域。目前根據(jù)e b g 結構的特性將其工程應用 可歸納為以下幾類： ( 1 ) 濾波器，定向耦合器，功分器等 ( 2 ) 高q 諧振器，寬帶放大器，頻率選擇表面等 ( 3 ) 微帶天線，單面天線，天線反射器等 第二章電磁帶隙結構概述 可以主要歸納為電路應用( 電磁內(nèi)問題) 和天線應用( 電磁外問題) 兩個方面。 電磁帶隙結構的特性主要有：帶阻，慢波，高阻抗。利用e b g 的帶阻特性， 可以用于設計濾波器，定向耦合器，功分器，寬帶諧波調(diào)節(jié)以及功放中濾除高次 諧波，提高放大器效率；利用單元電磁帶隙結構作為振蕩器中的諧振腔，減少振 蕩器的相位噪聲；利用帶阻特性，用于貼片天線中的諧波控制，或者利用高阻抗 表面改善天線輻射性能；利用結構周期性被破壞時能量在缺陷中的震蕩，實現(xiàn)二 維e b g 結構諧振腔；利用e b g 結構的慢波傳輸特性，可以減少微波電路和天線 的尺寸；利用電磁帶隙結構在阻帶內(nèi)構造磁導體( p m c ) 表面，并用于波導結構側壁， 構成t e m 波導；在帶狀線結構中，為了減少平行板模式下的漏波現(xiàn)象通常用短路 端口來解決，但卻增加電路的復雜性，并影響到匹配性質(zhì)，使用電磁帶隙結構可 以達到抑制漏波能量的作用。 2 3 1 微波電路中的應用 普通的微帶線加了電磁帶隙結構后在不同的頻率范圍內(nèi)可作為低通、帶通、 帶阻、高通濾波器。e b g 微帶線的種類較多，但歸納起來無非三種形成方式，即 分別在金屬導帶、金屬接地板和介質(zhì)基板上挖周期性的孔來實現(xiàn)，由于在介質(zhì)板 上挖孔相對較難，且?guī)ё杼匦缘男Ч缓煤筒槐阌谖⒉娐返募桑阅壳靶?成e b g 結構通常是分別在金屬導帶和金屬接地板上形成周期結構。影響e b g 微 帶線帶阻特性的參數(shù)有：介電常數(shù)、周期、孔的尺寸和周期的比值、周期單元的 數(shù)目、周期單元的形狀、介質(zhì)板的高度和導帶的寬度。早期的常規(guī)e b g 微帶線是 在接地板上挖圓孔或方孔和在導帶上挖方孔，對于在接地板上挖圓孔的情況，孑l 的直徑和周期的比值較大時，帶阻特性較明顯，但通帶的波紋也較大；比值較小 時，帶阻特性不太明顯，此時通帶的波紋也較小，比值的最優(yōu)化值是o 5 。由于傳 輸?shù)碾姶挪ň窒拊诮饘賹Ц浇?，所以一維的e b g 結構就可以產(chǎn)生明顯的帶阻特 性。隨著對e b g 微帶線研究的深入，周期單元的形狀有了一定的變化，在接地板 和導帶上蝕刻較復雜形狀的周期單元，可以形成帶阻特性和慢波結構，單元中的 金屬連接帶等效為電感l(wèi) ，空氣空隙等效為電容c ，通過改變金屬連接帶和空氣空 隙的形狀和尺寸相當于改變電感l(wèi) 和電容c ，從而改變傳播常數(shù)盧。單平面緊湊 型光子帶隙結構( u n i p l a n a rc o m p a c tp h o t o n i cb a n d g a p ，u c p b g ) 可以實現(xiàn)慢波 相移和延遲線的特性。緊湊型光子帶隙結構的單元形狀較復雜，每個單元有金屬 連接帶，相當于電感l(wèi) ；單元之間有介質(zhì)空隙，相當于電容c ，通過改變金屬連接 帶和介質(zhì)空隙的形狀和尺寸相當于改變電感l(wèi) 和電容c ，從而改變慢波效應，相 對于典型的慢波結構，這是一個顯著的優(yōu)點，u c p b g 更適合于高頻的情況，除了 上述提到的兩點，u c p b g 還具有單元結構緊湊、阻帶寬、插入損耗低以及能實 1 2 抑制電磁干擾的電磁帶隙結構研究 現(xiàn)完善“磁導體”( p m c ) 阻抗表面等優(yōu)點【l9 1 。 由于e b g 結構具有很好的帶阻特性，所以利用e b g 結構可以實現(xiàn)性能良好 的帶阻濾波器。將具有不同阻帶中心頻率的e b g 結構串裂3 6 1 或者并聯(lián)【2 7 】起來， 利用e b g 的寬阻帶特性，就可以實現(xiàn)寬阻帶的低通或帶阻濾波器。傳統(tǒng)的平行耦 合帶通以及其它一些類型的濾波器在諧波頻段會有通帶產(chǎn)生，這樣會影響帶通濾 波器的整體性能。如果在濾波器中采用e b g 結構，它的寬阻帶特性可以很好地抑 制帶通濾波器高次諧波頻段上的通帶。而且由于e b g 結構可以和帶通濾波器集成， 并不會增加電路的尺寸。利用e b g 結構還能實現(xiàn)諧振器的特性。在兩組周期性的 e b g 結構之間添加一段傳輸線，利用e b g 結構的反射作用，就形成了諧振腔。這 些傳輸線可以是微帶線f 3 1 1 ，共面波引2 6 】等。這些諧振器都有較高的q 值。調(diào)整微 帶線的長度就可以改變諧振點的位置。不僅如此，e b g 結構也可以應用在其它的 諧振結構中來改善它們的特性。例如在鏡像波導諧振器中，通過引入一段e b g 諧 振結構，就可以很好地提高整個電路的q 值【3 7 1 。對于介質(zhì)諧振腔，e b g 結構同樣 能提高他們的性能。在文獻1 2 8 l 中，作者在w h i s p e r i n gg a l l e r y ( w g ) 模式的介質(zhì)諧振 器中利用e b g 的阻波特性來抑制諧振點頻率附近的其它模式，改善了w g 模式介 質(zhì)諧振器所具有的高q 值。 雙工器在雙工無線通信系統(tǒng)里是一個很重要的元件，它是一種讓發(fā)射和接收 可以共享一個天線，而上行和下行工作在不同的頻率范圍的無源器件。要求雙工 器能使兩路r f 信號之間的互相干擾最小，而不降低發(fā)信和接收機與天線的傳播信 號質(zhì)量。雙工器通常由兩組濾波器構成，根據(jù)所用濾波器的類型可以有不同的形 式。大部分情況使用兩個帶通濾波器，因為這種結構對抑制帶外噪聲有益：也有一 路使用帶通，另一路使用低通濾波器的結構；也有兩路都使用帶阻結構。利用e b g 結構的阻波特性，可以設計高隔離度的雙工天線，更好地抑制t x 信號，而接收 l 奴信號，提高t x 和r x 信道間的隔離度1 2 4 】。這樣一來，雙工天線就可以在不同的 頻段接收和發(fā)送信號。 根據(jù)e b g 結構的帶阻特性，我們可以方便地利用它來抑制功率放大器輸出端 的高次諧波。e b g 結構的阻帶帶寬比一般使用短接線實現(xiàn)的阻帶要寬很多，而且 設計制造都比較簡單，可以很容易地和功率放大器結合起來提高功放的輸出特性， 與此同時，e b g 結構還可以和其它功率放大器中的線性化技術如前饋綜合起來， 進一步完善功率放大器的線性特性，提高效率。 2 3 2 天線設計中的應用 由于e b g 結構的帶阻和慢波特性，它可以方便地應用在各種微波天線中來設 計高性能的天線系統(tǒng)。首先可以利用e b g 結構的帶阻特性來抑制天線中存在的表 第二章電磁帶隙結構概述 1 3 面波。表面波的傳播是微帶天線中的一個重要問題，由于表面波消耗了一部分能 量，因此就會降低天線的效率和增益，同時也限制了天線的帶寬，增加了后向輻 射和交叉極化。 在天線中利用e b g 結構，表面波就不能在介質(zhì)中傳播，表面波消耗的能量就 耦合到空間波中，而且其它的表面波藕合效應也就不存在了。從天線e 面和h 面 的模式圖可以看出天線的后向輻射大大降低，前向輻射的波紋也更小。沿介質(zhì)層 的輻射有很大的減小，天線增益也得到提高。抑制天線表面波可以把e b g 結構布 置在天線貼片的周圍。同樣，為了減小天線尺寸，可以將天線構造在e b g 結構形 成的襯底上，此外e b g 結構還可以抑制天線在諧波頻率上的輻射1 3 引。使用e b g 結構，不僅使天線基頻的帶寬變大，而且天線的方向性變得更好，效率也得到了 很大的提高。某些特殊的e b g 結構還有慢波效應1 3 引。應用e b g 結構的慢波效應， 就可以設計出更小尺寸的微波電路結構。在天線中，為了減小天線的尺寸可以采 用改變貼片尺寸和使用高介電常數(shù)襯底的方法，但是這些方法會大大影響天線的 效率和增益。在文獻f 2 9 】中，作者把具有慢波效應的e b g 結構應用在天線中，在減 小天線尺寸的同時，保持了很好的天線的輻射特性和高效率。e b g 結構還可以 作為反射器，用在螺旋天線中來提高定向增益，增加帶寬，降低反向輻射，并且 抑制表面波在槽天線，它不僅可以抑制表面波和漏波現(xiàn)象，而且還可以等效為一 種理想磁導體( p m c ) 來減小天線的尺寸。 2 3 3 其他應用 隨著電子對抗的不斷升級，現(xiàn)代雷達工作的電磁環(huán)境日趨復雜，為了確保系 統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，獲得軍事上的優(yōu)勢，改善系統(tǒng)的電磁兼容性能變得十分重要， 而采用頻率選擇表面( f s s ：f r e q u e n c ys e l e c t i v es u r f a c e ) 就是有效的方法之一。在系 統(tǒng)表面制作一層具有電磁窗的材料構成頻率選擇表面，可以屏蔽某一頻帶的電磁 波，系統(tǒng)內(nèi)部對這些頻率成分的要求就會顯著降低，從而降低系統(tǒng)的復雜度，減 少開發(fā)和生產(chǎn)成本。而e b g 結構的提出為頻率選擇表面的應用提供了更廣闊的前 景。由于e b g 結構本身就具有頻率選擇特性，所以應用于頻率選擇表面只需設計 合理的e b g 結構就能達到目的。就目前對e b g 結構的研究表明加工簡單、體積 小、重量輕、成本低的e b g 結構材料己經(jīng)可以實現(xiàn)，如果加以共形技術的應用， e b g 結構材料構成的頻率選擇表面將成為電子對抗的有力武器之_ 4 0 l 。 當電磁帶隙結構具有點缺陷時，電磁波將被束縛在缺陷點處而形成諧振腔。 利用電磁帶隙結構的缺陷態(tài)做成的諧振腔可以克服金屬材料對電磁波的吸收損耗 所帶來的諧振腔q 值的降低，從而做成具有更高q 值的諧振腔。 在光領域，高效率發(fā)光二極管是電磁帶隙結構( 光子晶體) 的典型應用之一。 1 4 抑制電磁干擾的電磁帶隙結構研究 發(fā)光二極管發(fā)出的光一般是發(fā)光體發(fā)出的光由其周圍的介質(zhì)多次反射折射而發(fā)出 的，這樣介質(zhì)會吸收掉很多光能，轉化成熱能，使二極管的效率降低。將電磁帶 隙結構材料用在發(fā)光體的某些方向上，利用它的無耗反射特性，可以極大地改善 二極管的效率，制成高效率發(fā)光二極管。采用電磁帶隙結構可將發(fā)光二極管的效 率由1 0 提高到9 0 。 除此之外，電磁帶隙結構還可以用來制作光子晶體放大器、頻率穩(wěn)定器、光 聚焦器等?？傊姶艓督Y構材料在很多領域都有應用價值，是現(xiàn)代新型材料 的一種，并且這一概念已推廣到了聲波領域，隨著研究的深入和拓展，它將在更 廣泛的領域內(nèi)得到應用和發(fā)展。 第三章改進型m t t s h r o o m - e b g 結構 第三章改進型m u s h r o o m e b g 結構 3 1 引言 在微波電路和微帶天線方面，為了達到抑制表面波，減小各微波集成電路組 件之間互耦以及提高天線性能、消除天線陣的掃描盲點等，以微帶基片作為載體 的各種e b g 結構為重點研究對象之一。微帶基片是一種平面分層結構，現(xiàn)提出的 以微帶基片為載體的多種e b g 結構中，除在介質(zhì)層穿孔形成的介質(zhì)型e b g ，以及 高阻抗電磁表面等類型外在微帶基片上周期加載金屬貼片的貼片型e b g 【三【及 菇面緊湊型u c e b g 等，都完全視為一種平面分層結構，現(xiàn)被統(tǒng)稱為平面型e b g ， 該類型e b g 由于具有易制作、成本低、易集成等優(yōu)點而得到普遍關注。 32 結構描述 目前提出的微波頻段的光予帶隙結構有很多種。由于一維和二維的平面帶隙 結構易于實現(xiàn)，而且便于集成，因此在微波毫米波領域得到了廣泛的應用。二維 e b g 結構主要有兩種形式，一種是共面緊湊式e b g ( u c e b g ) 結構，另外一種 是p v e b g ( p a dv i a ) 結構。m u s h r o o m e b g 結構是p v e b g 結構中比較典型的一 個結構。該結構的電介質(zhì)上表面周期性地分布著正方形金禍貼片，金屬貼片之間 有窄縫相隔。每個金屬通過一個金屬導體柱與電介質(zhì)下表面的金屬底板相連接， 其結構如圖3 1 所示。 金屬貼片單元 金雇導體柱 雷3 1m u s h r o o m 結構立體圖 由于m u s h r o o m e b g 結構周期的周期比波長小很多，所以我們可以用集總參 1 6 抑制電磁干擾的電磁帶隙結構研究 數(shù)波阻抗z 來分析它。當電磁波入射到e b g 結構中時，金屬表面會產(chǎn)生感應電流。 電流從一個金屬貼片經(jīng)過通孔和地面流到另一個金屬貼片時形成電感，電荷在金 屬貼片縫的邊緣以及貼片和地面之間積累形成電容。所以該e b g 結構可等效為二 維的平面電容電感網(wǎng)絡，如圖3 2 所示， + c 一 并聯(lián)l c 電路 ( b ) 圖3 2 ( a ) e b g 高阻抗表面圖( b ) l c 等效電路圖 其等效電容和電感可分別用式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 表示： c = 羋掣c 。s h 。( 警) ( 3 =肚(3-2) 其中c 是等效電容，是等效電感，w 是m u s h r o o m e b g 正方形金屬貼片的邊 長，g 是正方形金屬貼片的間隔大小，q 是介質(zhì)板的介電常數(shù)，h 是介質(zhì)基板的厚 度。通過分析上式可以發(fā)現(xiàn)，貼片邊緣的長度和縫隙g 實際上決定了單元等效 電容的大小，介質(zhì)的厚度h 和過孔的直徑d 決定了單元等效電感的大小。 當電磁波的頻率等于該電感電容的網(wǎng)絡頻率石2 7 r 撕五時，z 趨于無窮大， 形成了高阻抗平面，此時介質(zhì)和空氣的交界面上的表面波不能沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑ァ?通過以上的分析可知，e b g 的工作原理可以由l c 濾波網(wǎng)絡來描述。落在諧振頻率 內(nèi)的電磁波將會被高阻表面阻擋而不能傳播。因此通過改變等效回路的電容或者 電感，都能導致回路諧振頻率的降低，從而起到減小e b g 尺寸的作用。 由于帶隙中心頻率及帶寬由下式?jīng)Q定： = 1 l 4 z - 石 ( 3 3 ) b 形：鯉：! 瓜( 3 - 4 ) 第三章改進型m u s h r o o m - e b g 結構 從式( 3 3 ) 式中可毗看出，為了獲得緊湊的e b g 機構，應該利用各種方法增 大單元等效電感和電容，以降低帶隙的中心頻率。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構就具有較小的周期和結構尺寸。 但從式( 3 _ 4 ) 式有看出，帶隙寬度與單元等效電容的平方根成反比，與單元等效 電感平方根成f 比，增大電容降低帶隙的中心頻率的同時會使得帶隙寬度變小， 而增大電感降低帶隙的中心頻率的同時使帶隙寬度變大。因此，蛀理想的當然是 降低中心頻率又有較大的帶寬，增大等效電感就成為最好的選擇。 本章主要介紹了兩種不同形式的增大等效電感的m u s h r o o m e b g 的改進結構- 圖33 ( a ) 是增大等效電感的s p i r a l - l i k ee b g 結構，在表面頂層金屬貼片上鏤空了螺 旋狀枝節(jié)，形成共面螺旋電感來增加等效電感，螺旋狀改進結構就是在經(jīng)典結構 的基礎上進一步提高了連接枝條的長度，增大了單元等效電感值，與過孔電流產(chǎn) 生的等效電感相結合，增加了結構的感性負載使其諧振頻率向低端移動。另一種 是通過加載縫隙的s - l i k ee b g 結構通過在傳統(tǒng)正方形貼片的基礎上開槽，開槽 的作用是改變表面電流的流向，間接增長了貼片的電長度，從而可以增加單元等 效電感值，降低單元的諧振頻率，獲得低頻的帶隙，如圖3 3 ( b ) 所示。第3 節(jié)對上 述結構的帶隙特性做了具體分析。 l 蘭i3 3f a ls p i r a l 1 i k e e b g 結構平面圖 ( b ) s - l i k ee b ( 3 結構平面圖 作為本文研究的基礎，對m u s h r o o m ：e b g 結構按等效電路模型進行初始化設 計再應用基于有限元法的h f s s 軟件進行驗證。設定m u s h r o o m - e b g 結構參數(shù) 為：貼片的單元邊長為w ，單元周期為b ，單元間的縫隙為g ，金屬過孔的直徑為 d ，基扳材料的厚度為t ，介電常數(shù)為s ，。 測試的e b g 平面對外圍的尺寸大小為l x l ，其中l(wèi) = 2 0 m m ，板間填充介質(zhì)為 d u r o i d ( t m ) ，其介電常數(shù)s 為2 2 ，插值損耗為0 0 0 0 9 。e b g 結構為3 x 3 正方形陣 列其參數(shù)為w - 6 m m ，g = 0 4 m m t = - l m m 。e b g 結構的短導體柱為直徑02 m m 的 通孔，其導體介質(zhì)上面與陣列方塊相連，下面與底板相相連。 1 8 抑制電磁干擾的電磁帶隙結構研究 圖3 4 采用懸置微帶法測量m u s h r o o m - e b g 結構的側視圖 本文用a n s o f lh f s s 軟件采取懸置微帶線的方法對e b g 結構的帶隙特性進行 測量，如圖3 4 所示。測量的結構放在微帶線與地面之間，形成“三明治”結構。懸 置微帶線兩邊用s m a 接頭連接測量參數(shù)。與共面微帶線和單極子方法比較，懸置 微帶線是一種強耦合結構，減小了其他寄生傳播模式的影響，能夠更加清楚的顯 示e b g 結構的帶隙特性。微帶線與e b g 結構之間的距離是h = 0 i m m ，支撐介質(zhì) 的相對介電常數(shù)是2 2 ，微帶線對應于5 0 q 阻抗線的線寬l = 0 6 m m 。 3 3 對比分析 由于m u s h r o o m e b g 結構表面緊湊，其單元尺寸遠小于工作波長，所以它的 電磁特性可以用l c 并聯(lián)電路來等效。改進的s p i r a l l i k ee b g 結構和s 1 i k ee b g 結 構中，單元等效電容來自相鄰貼片之間的縫隙電容，單元等效電感來自于流過中 心過孔電流和流過貼片表面的電流。所以其結構形式必然對帶隙的特性有影響。 其抑制帶隙的中心頻率以及帶隙寬度與電介質(zhì)的厚度、電介質(zhì)的介電常數(shù)s ，、正 方形金屬貼片的尺寸、金屬導體柱的半徑等e b g 結構的參數(shù)有著密切的關系。本 文將主要分析討論s p i r a l l i k ee b g 結構和s 1 i k ee b g 結構對帶隙特性的影響。 3 3 1s p i r a l l i k ee b g 結構 m u s h r o o m e b g 結構中的電感主要來自于頂層金屬貼片通過金屬過孔與接地 面之間的電流。由于在實際應用中，金屬過孔的直徑d 受加工技術的限制，通過 改變d 的大小來改變e b g 結構中電感l(wèi) 沒有太大的實際意義。所以，在應用中主 要是通過加大金屬貼片與接地面之間電流的路徑來增大e b g 結構的電感l(wèi) ，圖3 5 是一種具有螺旋電感的e b g 結構u 7 1 。 第三章改進型m u s 吶o m e b g 結構 圖3 5s p i r 小l k ee b g 結構俯視圖 在m u s h r o o m e b g 結構