PBG在微波通信系统中的应用.doc
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1、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,Electromagnetic Bandgap)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:EBG FDTD 平面波展开法 有限元法The Dev
2、elopments and Applications of EBGPan Xiao dan (Communication University of China, Information Engineering School, Beijing, 100024)Abstract: EBG is a kind of periodical structure that can realize Electromagnetic Bandgap。It has attracted intense attention because of the electromagnetic bandgap propert
3、ies in microwave bands. The EBG structure provides good radiation and extremely low loss, so it has a wide range of applications in microwave fields, especially in the microstrip circuits and antennas. In this paper, the main characteristics and physical structures are introduced, and combined with
4、the trend of numerical simulations; the advantage and disadvantage of three commonly used numerical methods are compared. The applications of EBG structure in microwave devices are summarized.Keywords: EBG FDTD planar-wave-method finite-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
5、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(electromagnetic bandgap)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(photonic bandgap),也叫光子晶体(photonic crystal)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
6、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
7、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1 EBG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
8、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
9、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
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- PBG 微波 通信 系统 中的 应用
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