专利名称：一种光子带隙结构及其三维微波段实现方法
技术领域：
本发明涉及一种光子带隙结构及其三维微波段实现方法，属于微波技术领域，该结构可应用于带通滤波器、带阻滤波器和电磁隐身等领域。
背景技术：
光子晶体(Photonic Crystal)作为当今世界的重要科技成果，是1987年由美国贝尔实验室的E. Yablonovitch和普林斯顿大学的S. John分别在研究如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域时各自独立提出的。光子晶体是一种人造结构，包含一定周期性的金属或者介质单元，可以阻止特定频率范围内电磁波的传播，即光子带隙(Photonic Bandgap)现象。光子带隙结构通过电磁缩放原理扩展到微波频段后又称为电磁带隙 (Electromagnetic Bandgap)结构。研究构造光子晶体结构具有物理和材料科学上的重要意义。通过光子晶体结构研究光子晶体的形成条件，电磁波在光子晶体中的传播行为，不仅能对光波与物质的相互作用的基本知识有所了解，而且能够探索性地去寻找一类新型材料，这类材料将成为新型器件的物理基础。目前绝大多数的光子晶体结构都是由介质单元构成，这为结构在光频段的制造带来很多的便利。但是实际微波器件大部分都是由金属单元构成，由介质单元构成的光子晶体结构在微波器件中的应用受到很大的限制，因此，构造金属单元组成的新型光子晶体结构将为其在微波器件的应用带来新的机遇。微波段器件具有加工和测试技术成熟，成本廉价等优点，因此，近年来，电磁带隙结构发展十分迅速，已广泛用于高阻抗表面、低通滤波器、可调谐带阻滤波器、超宽度滤波器等微波器件以改善器件的性能，同时其也为天线阵列中的互耦减少、同步开关噪声抑制等问题提供了一个新的解决方案。、高阻抗表面、天线阵列互耦减少、超宽带滤波器和同步转换噪声抑制等领域。然而，由于电磁带隙结构的带隙特性受到很多因素的影响，如晶格的数目、形状、间隔等，很难对其进行建模并将建模结果直接应用到微波器件的设计。因此电磁带隙结构的应用往往都依赖于对具体三维微波结构的直接仿真，这样既要花费大量的时间和计算机内存，同时也在一定程度上限制了电磁带隙结构的应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种光子带隙结构及其三维微波段实现方法，利用电磁缩放原理，从能量束缚角度出发，将设计好的光子带隙结构直接移植到三维微波结构上，以克服现有的电磁带隙结构应用完全依赖于对具体三维结构的直接仿真而带来的耗费时间长和占用计算机内存大等缺点。本发明提出的光子带隙结构，由金属条组成的结构单元构成，其特征在于所述的结构单元沿电磁波传播方向级联连接，每个结构单元由均带有凹槽的左侧金属条和右侧金属条组成，左侧金属条与右侧金属条对称放置形成叉指结构，两条金属条之间的距离由所需的入射电磁波能量近似全部传输的波长确定，其中，两侧金属条之间的距离为上述波长的1 2倍，凹槽处之间的距离为该波长的0. 4 0. 8倍，两条金属条两端长度相等，为该波长的0. 4 0. 6倍，凹槽处长度为该波长的0. 45 0. 55倍。所述结构单元的数量大于2个，优选3 5个。以保证明显的带隙特性。所述金属条周围为空气介质或者其他低介电常数介质。本发明还提出了一种所述光子带隙结构的三维微波段结构实现方法，包括以下步骤步骤一，根据光子带隙结构入射电磁波能量近似全部传输的频率和所需的微波频率，利用电磁缩放原理，在不改变光子带隙结构电磁特性的条件下，确定光子带隙结构尺寸的放大倍数；步骤二，在由介质层和设在该介质层上下表面金属导体构成的三维基板的上表面金属导体上，刻蚀按倍数放大后的光子带隙结构，形成叉指形状的空气单元，从而实现电磁带隙结构，并将下表面金属导体接地；步骤三，在刻蚀好的电磁带隙结构的两端分别刻蚀微带线和渐变线来激励电磁带隙结构。所述三维基板介质层的介电常数小于3，厚度小于0. 8mm。所述渐变线(4)和微带线(3)在移植后三维结构的两端由近及远分别依次加上， 其中，渐变线(4)的长度和宽度由计算优化得到，微带线(3)的宽度由输入阻抗和三维基板的介电常数确定。本发明提出的光子带隙结构，具有能实现特定频率下的入射能量近似全部传输的特性，可应用于带通滤波器和电磁隐身领域，而利用光子晶体固有的带隙特性，还可用于带阻滤波器以及同步开关噪声的抑制。本发明提出的光子带隙结构的三维微波段实现方法， 将设计好的光子带隙结构直接移植到三维，大大减少了在具体微波器件中设计电磁带隙结构所需要的仿真时间和计算机内存，为电磁带隙结构应用提供了新途径。
下面结合附图对本发明光子带隙结构及其三维微波段实现方法作进一步的描述。图1是本发明光子带隙结构的示意图。图2是本发明光子带隙结构的能量系数与时间关系图，其中虚线表示净入射能量系数，实线表示输出能量系数。图3是本发明光子带隙结构在2. 2μ m入射波长时的场强分布图。图4是本发明光子带隙结构的能带图。图5是利用本发明方法获得的三维微波段结构实现示意图。图6是利用本发明方法获得的三维微波段结构实现在12. 53GHz频率时的场强分布图。图7是利用本发明方法获得的三维微波段结构实现仿真和测量的传输系数和频率关系图，其中虚线表示测量的传输系数，实线表示仿真的传输系数。
具体实施例方式本发明提出的光子带隙结构，由结构单元沿电磁波传播方向级联连接；每个结构单元包括左侧金属条1及与其对称的右侧金属条2，两金属条均带有凹槽，以叉指形状排列，左侧金属条1与右侧金属条2之间的距离由所需要的入射能量达到近似全部传输的波长确定，其中，金属条1与金属条2的距离为该波长的1-2倍，两侧金属条凹槽之间的距离为该波长的0. 4 0. 8倍，两侧金属条的上下两端的长度均相等，为该波长的0. 4 0. 6倍， 两侧金属条凹槽处长度，包含横向的两侧金属条宽度，为该波长的0. 45 0. 55倍，以上距离以及金属条不同段长度的具体数值由时域有限差分方法计算，在上述给定的尺寸范围内进行参数扫描，寻找给定频率下入射电磁波能量传输的最优解来获得。以上距离以及金属条长度的具体数值由计算优化得到，如时域有限差分方法，金属条的材料一般选择铜以便于以加工应用，其介电常数由Drude模型指定；金属条周围为空气介质或者为其它低介电常数介质，例如硅。所有金属条的厚度均相等，且优选0. 1 μ m-0. 3 μ m。本发明提出的利用上述光子带隙结构完成三维微波段结构实现的方法，是在二维完成光子带隙结构的设计，将设计好的二维电磁带隙结构直接移植到三维形成电磁带隙结构，即利用电磁缩放原理，将光子带隙结构尺寸放大到所需要的微波频段上；从能量束缚角度出发，将放大后的光子带隙结构移植到三维基板上，该基板由介质层和上下表面金属导体，一般为铜构成；采用微带线和渐变线激励移植后的三维结构，完成光子带隙结构的三维微波段实现，从而有效解决了现有电磁带隙结构应用相对复杂以及花费大量时间和计算机内存等不足。对于理想导体和理想电介质结构而言，在保持光子带隙结构介电常数和磁导率不变的条件下，放大η倍后的光子带隙结构在入射频率减小η倍后仍与原光子带隙结构保持相同的电磁特性，因此，根据光子带隙结构入射能量达到近似全部传输的频率和所需的微波频率确定光子带隙结构尺寸放大的倍数。此外，根据光子带隙结构和其对应的三维微波结构应以同样的方式束缚能量从而达到入射能量的近似全部传输，在由介质层6和上下表面金属导体构成的三维基板上表面金属导体5中蚀刻掉放大后的光子带隙结构，形成电磁带隙结构，其中三维基板中间介质层6的介电常数小于3，厚度小于0.8mm。同时，在三维基板上表面导体刻蚀微带线和渐变线来激励电磁带隙结构，所述微带线的宽度由输入阻抗和三维基板的高度以及介电常数确定，渐变线的长度和宽度由时域有限差分计算以及通过参数扫描寻找最优解得到。完成移植后的三维结构的两端由近及远分别依次加上渐变线 4和微带线3，所述渐变线的长度和宽度由计算优化得到，微带线的宽度由输入阻抗和三维基板的介电常数确定。本发明提出的光子带隙结构，一个实施例的布局如图1所示，包含沿电磁波传播方向级联连接的三个结构单元，每个结构单元包含叉指形状排列的均设有凹槽的左侧金属条1与右侧金属条2，为达到2. 2 μ m波长入射能量的近似全部传输，经时域有限差分计算及在给定的尺寸范围内进行参数扫描寻找最优解最终得到左侧金属条1与右侧金属条2之间的距离为3μπι，其凹槽处两金属条之间的的距离1.4 μ m，两侧金属条的上下两端长度均为为1. 05 μ m，凹槽的长度均为1 μ m，金属条的宽度均为0.2 μ m。金属材料选择铜，Drude 模型中的等离子频率和碰撞频率分别为1788THZ和2. 196THz。所有金属条周围为空气介质。由图2可以看出，在2.2μπι的入射波长下，本发明的光子带隙结构可实现93 %的入射能量传输，在图3所示的场分布中，也可看到明显的共振增强现象。图4给出了光子带隙结构的能带图，可以看出在倒格矢空间Γ周围出现了归一化频率为0. 79 1.23的一个明显
不巾ο
本发明所述光子带隙结构三维微波段实现的方法，一个实施例是，为使三维结构在13GHz，对应波长约为23mm左右出现入射能量的近似全部传输，首先根据电磁缩放原理， 将电磁带隙结构放大23000/2. 2，约10500倍，其次从能量束缚角度出发，在三维基板上表面金属导体5上蚀刻掉放大10500倍后的光子带隙结构，选取的三维基板介质层6的介电常数为2. 2，厚度为0. 5mm，下表面金属导体7为接地单元，上下表面导体材料均为铜。最后在三维基板上刻蚀微带线和渐变线来激励电磁带隙结构，微带线13的宽度为1. 5mm，对应输入阻抗为50欧姆，经时域有限差分方法计算及参数扫描得到渐变线14的长度和宽度的最优解分别为12mm与6mm。一个实施例的示意图如图5所示。图6为光子带隙结构三维微波段实现方法的实施例在12. 53GHz的场强分布图，结合图3及图6，两者相似的场分布以及共振增强现象可说明从光子带隙结构设计到其三维微波段结构实现方法的正确性。图7为光子带隙结构的三维微波段实现方法实施例仿真和测量的传输系数和频率关系图，可以看出明显的带通和带阻特性，带阻的频率范围为IOGHz 11GHz，对应归一化频率为0. 88 1. 03，落在光子晶体禁带内，进一步说明了光子带隙结构三维微波段实现方法的正确性。同时由图7可看出，该电磁带隙结构的一个直接应用就是构建带通滤波器和带阻滤波器。本发明所述光子带隙结构三维微波段实现方法的另一实施例是，为使三维结构在 30GHz，对应波长为IOmm左右出现入射能量的近似全部传输，首先根据电磁缩放原理，将电磁带隙结构放大10000/2. 2，约4500倍。其次从能量束缚角度出发，在三维基板上表面金属导体5上蚀刻掉放大后的光子带隙结构，选取三维基板介质层6的介电常数为2. 0，厚度为0. 4mm，下表面金属导体7为接地单元，上下表面导体材料均为铜。最后在三维基板上刻蚀微带线和渐变线来激励电磁带隙结构，微带线13的宽度为1. 3mm，对应输入阻抗为50欧姆，经时域有限差分方法计算及参数扫描得到渐变线14的长度和宽度的最优解分别为6mm 与8mm。在30. 73GHz出现了明显的共振增强现象，在23GHz 26GHz出现了明显的阻带现象，对应归一化频率为1. 08 1. 22，落在光子晶体禁带内，以上均说明了电磁带隙结构三维微波段实现方法的正确性。虽然在上述实施例的基础上对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于此，具有相关领域背景知识的人可以在此基础上进行多种变形。例如，可以采用别的共振增强特性结构单元进行级联实现入射能量的近似全部传输，采用不同的级联结构单元数目以满足达到稳定状态的响应时间和最大能量传输系数的要求，或者是采用由二维设计到三维实现的方法实现电磁带隙结构的应用。因此，这些变形以及其它符合本发明的思想或者采用了本发明的技术方案，都应属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种光子带隙结构，由金属条组成的结构单元构成，其特征在于所述的结构单元沿电磁波传播方向级联连接，每个结构单元由均带有凹槽的左侧金属条(1)和右侧金属条 ⑵组成，左侧金属条⑴与右侧金属条⑵对称放置形成叉指结构，左侧金属条⑴和右侧金属条(2)之间的距离由所需的入射电磁波能量近似全部传输的波长确定，其中，两侧金属条之间的距离为上述波长的1 2倍，凹槽处之间的距离为该波长的0. 4 0. 8倍，左侧金属条(1)和右侧金属条(2)两端长度相等，为该波长的0. 4 0. 6倍，凹槽处长度为该波长的0. 45 0. 55倍。
2.根据权利要求1所述的光子带隙结构，其特征是结构单元的数量大于2个，优选3 5个。以保证明显的带隙特性。
3.根据权利要求1所述的光子带隙结构，其特征是金属条周围为空气介质或者其他低介电常数介质。
4.一种根据权利要求1所述的光子带隙结构的三维微波段结构实现方法，包括以下步骤步骤一，根据光子带隙结构入射电磁波能量近似全部传输的频率和所需的微波频率， 利用电磁缩放原理，在不改变光子带隙结构电磁特性的条件下，确定光子带隙结构尺寸的放大倍数；步骤二，在由介质层(6)和设在该介质层上下表面金属导体构成的三维基板的上表面金属导体(5)上，刻蚀按倍数放大后的光子带隙结构，形成叉指形状的空气单元，从而实现电磁带隙结构，并将下表面金属导体(7)接地；步骤三，在刻蚀好的电磁带隙结构的两端分别刻蚀微带线(3)和渐变线(4)来激励电磁带隙结构。
5.根据权利要求4所述的光子带隙结构的三维微波段实现方法，其特征是三维基板介质层(6)的介电常数小于3，厚度小于0.8mm。
6.根据权利要求4所述的光子带隙结构的三维实现方法，其特征是渐变线(4)和微带线(3)在移植后三维结构的两端由近及远分别依次加上，其中，渐变线(4)的长度和宽度由计算优化得到，微带线(3)的宽度由输入阻抗和三维基板的介电常数确定。
全文摘要
本发明涉及一种光子带隙结构及其三维微波段实现方法，属于微波技术领域。该光子带隙结构由结构单元级联而成，每个结构单元由叉指形状排列的金属条构成，可实现特定频率下的入射电磁波能量的近似全部传输。本发明提出的光子带隙结构三维微波段实现方法主要是利用电磁缩放原理，将光子带隙结构尺寸放大到所需要的微波频段上；从能量束缚角度出发，将光子带隙结构移植到三维基板上；采用微带线和渐变线激励移植后的三维结构。本发明提出的结构简单，易于设计，其三维微波段实现方法将大大减少光子带隙结构在微波段具体应用的仿真时间，为其在带通、带阻滤波器和电磁隐身等领域的应用带来极大的便利。
文档编号G06F17/50GK102324903SQ20111015534
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者何伟, 宁焕生, 毛凌锋, 汪俊 申请人:北京航空航天大学