PBG在微波通信系统中的应用

EBG在微波系统中的发展及其应用潘小丹(中国传媒大学信息工程学院北京100024)摘要：EBG结构是可以实现电磁带隙（EBG，ElectromagneticBandgap）的周期性结构。由于其表现出来的电磁带隙特性，使得微波毫米波波段EBG器件得到越来越深入的研究。EBG微波器件具有损耗小，散热好的特点，在微波领域，特别是微带电路和天线领域中有着巨大的应用价值。本文主要介绍了电磁带隙结构的主要特性及其物理结构，结合国数值仿真的发展趋势，对三种常用的数值计算方法进行了优缺点的比较，并对电磁带隙结构在微波器件的应用进行了概括和总结。关键字：EBGFDTD平面波展开法有限元法TheDevelopmentsandApplicationsofEBGPanXiaodan(CommunicationUniversityofChina,InformationEngineeringSchool,Beijing,100024)Abstract:EBGisakindofperiodicalstructurethatcanrealizeElectromagneticBandgap。Ithasattractedintenseattentionbecauseoftheelectromagneticbandgappropertiesinmicrowavebands.TheEBGstructureprovidesgoodradiationandextremelylowloss,soithasawiderangeofapplicationsinmicrowavefields,especiallyinthemicrostripcircuitsandantennas.Inthispaper,themaincharacteristicsandphysicalstructuresareintroduced,andcombinedwiththetrendofnumericalsimulations;theadvantageanddisadvantageofthreecommonlyusednumericalmethodsarecompared.TheapplicationsofEBGstructureinmicrowavedevicesaresummarized.Keywords:EBGFDTDplanar-wave-methodfinite-element-method随着半导体工艺的进步与信息科学的发展，新技术的不断涌现，电路系统的超小型化、高集成度和高性能越来越成为人们追求的目标。电磁带隙（EBG）结构由于其形式灵活，而且便于通过集成工艺方便地实现，引起了广泛的关注。一．电磁带隙结构的主要特性及其物理结构电磁带隙（electromagneticbandgap）结构是具有带阻特性的周期结构，最初的概念来源于光学的光子带隙结构(photonicbandgap)，也叫光子晶体（photoniccrystal）结构，由美国UCLA的Yabnolovitch教授在研究如何抑制自发辐射时在1987年提出的，它具有类似于半导体带能的光子禁带，频率处于禁带内的光子将无法传播。如果在光子晶体中引入缺陷，打破其周期性，就可实现对光子的局域和传输控制。电磁带隙结构最初的研究是在光学领域，用光子晶体做成的光子集成芯片，可以对光子进行控制，从而实现全光信息处理，在全光通信网、光量子信息、光子计算机等诸多领域有着诱人的应用前景，但是极小的尺寸使得加工难度非常高。后来的研究向较低的频率发展有其在微波、毫米波中，光子晶体的实现要容易些。电磁带隙结构可以采用金属、介质、铁磁或铁电物质植入基质材料，或直接由各种材料周期性排列而成。电磁带隙还具有慢波结构，可以用来制作小型化器件和电路。目前国内外所提出的电磁带隙结构多种多样，一维和二维的电磁带隙结构易于实现且便于集成，因而在微波集成电路中的到了广泛应用。其典型结构为一个折射率周期变化的三维物体，周期为入射波长量级，它的应用前景极为广泛，将是新一代微波器件的基础。图1为EBG结构的示意图。图1EBG结构示意图将电磁带隙概念引入到集成电路的设计和制作工艺中，利用现有的集成电路工艺，如反应离子体刻蚀、LIGA等，实现电磁带隙与集成电路的有机结合，不仅能降低电磁带隙的制作难度和成本，还能大大改善电路的整体性能，为电路的进一步集成化、小型化提供新的设计思路。电磁带隙结构的特性主要有：带阻、慢波、高阻抗，具有制作简单、体积小、重量轻、便于集成等优点，在集成性、重量及成本上都具有不可替代的优势。利用EBG结构的带阻特性，可以用于设计滤波器、功分器、定向耦合器以及滤除功率放大器中的高次谐波，提高放大器效率；利用单元电磁带隙结构作为振荡器中的谐振腔，减少振荡器的相位噪声等。光子晶体器件还有一个突出的优点：损耗极低，基本可以实现无损传输，这就意味着可以节约大量的光中继放大器设备，极大地降低建设成本，同时很多相应的通信技术难题如光放大后的信号畸变问题、光传输中的电子瓶颈问题等也迎刃而解。EBG结构是具有带阻特性的周期性结构，可以采用金属、介质、铁磁或铁电物质植入基质材料，或者直接由各种材料周期性排列而成。目前国内外提出的EBG结构多种多样，比如在介质基板中穿孔，或在介质基板中填充其他材料或金属，后者更适合于集成化的要求。目前国际上的电磁带隙集成电路主要集中在于研发基于集成光学工艺的电磁带隙制作工艺和基于有效电磁带隙模型基础上的集成光学模块，包括低损耗的博导、耦合器、滤波器以及各种互联器件。硅基和砷化镓基的电磁带隙集成电路也有研究。欧洲信息技术学会（IST）则提出了基于InP的光子集成电路概念，直接面向光纤通信中的应用，而对于迅速发展的无线通信领域设计很少。光子晶体的基本特征是具有光子带隙，频率落在带隙中的电磁波是被禁止传播的。如果光子晶体只在一个方向上具有周期结构，光子带隙只可能出现在这个方向上。如果存在三位的周期结构，光子带隙就可能出现全方位光子带隙，落在禁带中的光在任何方向都被禁止传播。光子晶体可分为一维、二维和三维光子晶体。通常将一个方向上具有光子带隙的材料称为一维光子晶体，这种光子晶体在结构上最为简单，易于制备，目前在光纤和半导体激光器中已得到应用。二维光子晶体是指在二维空间各个方向上都具有光子带隙的材料。由于二维光子晶体相对来说易于制造，并且二维光子晶体也具有三维光子能带带隙，二维光子晶体成为当前研究最多的一种结构。从应用角度考虑，三维光子晶体的完全能隙具有重要的应用价值，但三维光子晶体的制备比较困难。一般来说，光子晶体介质的介电常数反差越大（一般大于2），得到光子带隙的可能性越大，光子带隙的出现和调节主要取决于晶格类型、组成材料的介电常数配比及高介电常数材料的填充比，条件比较苛刻。制作具有完全光子带隙的光子晶体是人们面临的一项巨大挑战。二．几种常见的PBG结构EBG结构是由周期性的金属或介质单元构成，具有带阻特性，它的带阻特性与周期性单元的尺寸、周期大小和材料的介电常数有关。除了具有带阻特性，EBG结构还具有慢波效应和高等效特性阻抗特性。（1）在介质中钻周期形式的孔或在地板上蚀刻周期性的圆周而形成的崎岖不平的表面。这种不平整的金属表面会有很窄的表面波带隙。图２（a）所示的是突出物之间的带隙表面的下边界电场，图２（b）是围绕突出物的带隙表面的上边界电场，由此形成一个慢波结构。图2崎岖不平的金属薄片（a）突出物外包裹的电场（ｂ）突出物之间的电场（2）褶皱的表面结构：在一个金属厚板上垂直开一系列的槽缝形成了褶皱的表面结构。由于槽缝很窄（）,所以这种结构的工作波长是在一个波长内。如果槽的深度有四分之一波长深，底部的短路则是由槽的顶端开路转换形成的，顶部的表面阻抗非常高。图３所示为褶皱型的表面结构。图３褶皱的表面结构（3）金属衬垫或是高阻抗表面：利用三角形或矩形的金属衬垫格子或将他们通孔同地板相连接，被用来提高平面天线的增益。这些结构用紧凑的平面电磁晶体来实现，使在微波频段内具有一个完美的阻带。高阻抗表面具有抑制表面波的作用，还能实现一定频带范围内的同相反射。图４（a）为两层高阻抗表面结构图的横截面，图４（ｂ）为其俯视图。图４两层的高阻抗面结构图（a）横截面图（b）俯视图三．EBG结构的研究方法光子晶体概念提出之初完全是基于固体物理中的能带理论，把光子晶体对光子的作用类比为半导体中原子点阵对电子的作用，像倒格矢、布里渊区、散射图等描述固体能带的概念被用来描述光子晶体的禁带。但此理论仅仅把电磁场当成标量波处理，没有考虑其矢量特性，不够精确。90年代出现了平面波展开法（PWM），基本原理是把周期变化的介电常数按傅里叶变换展开，再把矢量以布洛赫波展开，电磁场的双旋度方程就可以转化为求解久期方程的特征函数和特征值，从而可以通过数值计算方法求解，其计算结果与实验结果吻合较好，大大提高了光子晶体能带结构计算的精度，原理简单，计算量小。但PMW的前提条件是介电常数必须是周期变化的，周期性一旦破坏，计算误差就会大大增加。90年代中期时域有限差分法（FDTD）被引入了光子晶体研究领域，这种方法不需要介质结构周期性这一假设，基本原理是对Maxwell方程的两个旋度方程进行有限差分，然后引入周期性边界条件，从而得到离散的电磁场矩阵方程，通常对二维光子晶体原胞做1010的剖分就可满足精度要求，计算效率比PWM高，且可进行时域仿真，动态显示场的传播行为。但由于三维情况下数据量急剧加大，将会出现结果不稳定的情况。最近，有限元方法求解光子带隙问题受到了关注。有限元方法是求解数理边值问题的一种很重要的数值技术，在结构分析领域应用非常广泛。这种方法的优点在于离散单元的形状可以任意，而且可以根据需要在同一模型中的不同区域选择不用的单元网格密度，其形成的系数矩阵是稀疏的，故求解效率相对FDTD要高，尤其在三位情况下更是如此，不过这种方法的理论公式极为复杂，编程难度大。目前光子晶体器件的设计中应用最多的还是FDTD和PWM。四．EBG结构的应用EBG结构的应用渐渐进入了微波工程领域，如微波带阻滤波器、微波功率放大器、天线、谐振腔、飞行器的防护罩等。（1）滤波器利用电磁带隙结构可以做成宽带的带阻滤波器和宽带选频滤波器。在有些场合为了防止电路相互之间的干扰，对滤波器袋外有严格的要求，希望通带外的频谱被极大衰减，利用电磁带隙结构的禁带特性便可以有效抑制通带外的电磁波。利用电磁带隙结构的缺陷态，还可以很精确的控制小频段内的电磁波通过，制成窄带选频滤波器。（2）放大器和谐振器在放大器的输出端采用设计合理的带有EBG结构的微带线，，可以抑制掉二次谐波和三次谐波，从而可以提高电源的转换效率，同时也增加输出功率和带宽。利用一般的介质材料制作高Q值谐振器有一定的困难，采用晶体技术费用昂贵，EBG结构可以提供一个优化的方法，使得完全通过结构设计就能达到要求。（3）微带天线由于微带天线属于谐振式天线，其工作频率较窄，还会激励起高次模，以及有源天线会产生伪辐射，从而降低微带天线的使用效率。将EBG应用于微带天线的底板上，作为高阻抗面可以提高天线的增益，与贴片在同一平面内抑制表面波提高增益，在馈线上可以抑制某些谐波的辐射，提高EMC性能。（4）雷达、导弹等飞行器的防护罩EBG结构可以构成电磁窗，应用于雷达、导弹等飞行器系统，可以提高其适应复杂电磁环境的能力，在现代电子战争中，可以提高武器系统的生存寿命；制成电磁屏蔽罩应用于计算机网络、军用通讯线路等，在进行系统设计时就不用考虑某些频段电磁波的干扰，降低系统的复杂度，节约生产成本。EBG结构隐身材料对隐身飞机同样具有重要的意义。随着无线通信技术的发展,光子晶体这种新型材料,必将在移动通信、卫星通信、航空航天等众多应用领域发挥它的作用。参考文献[1]TafloveA.Reviewoftheformulationandapplicationsofthefinite-differencetime-domainmethodfornumericalmodelingofele