專利名稱：一種光子帶隙結構及其三維微波段實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光子帶隙結構及其三維微波段實現(xiàn)方法，屬于微波技術領域，該結構可應用于帶通濾波器、帶阻濾波器和電磁隱身等領域。
背景技術：
光子晶體(Photonic Crystal)作為當今世界的重要科技成果，是1987年由美國貝爾實驗室的E. Yablonovitch和普林斯頓大學的S. John分別在研究如何抑制自發(fā)輻射和無序電介質材料中的光子局域時各自獨立提出的。光子晶體是一種人造結構，包含一定周期性的金屬或者介質單元，可以阻止特定頻率范圍內(nèi)電磁波的傳播，即光子帶隙(Photonic Bandgap)現(xiàn)象。光子帶隙結構通過電磁縮放原理擴展到微波頻段后又稱為電磁帶隙 (Electromagnetic Bandgap)結構。研究構造光子晶體結構具有物理和材料科學上的重要意義。通過光子晶體結構研究光子晶體的形成條件，電磁波在光子晶體中的傳播行為，不僅能對光波與物質的相互作用的基本知識有所了解，而且能夠探索性地去尋找一類新型材料，這類材料將成為新型器件的物理基礎。目前絕大多數(shù)的光子晶體結構都是由介質單元構成，這為結構在光頻段的制造帶來很多的便利。但是實際微波器件大部分都是由金屬單元構成，由介質單元構成的光子晶體結構在微波器件中的應用受到很大的限制，因此，構造金屬單元組成的新型光子晶體結構將為其在微波器件的應用帶來新的機遇。微波段器件具有加工和測試技術成熟，成本廉價等優(yōu)點，因此，近年來，電磁帶隙結構發(fā)展十分迅速，已廣泛用于高阻抗表面、低通濾波器、可調諧帶阻濾波器、超寬度濾波器等微波器件以改善器件的性能，同時其也為天線陣列中的互耦減少、同步開關噪聲抑制等問題提供了一個新的解決方案。、高阻抗表面、天線陣列互耦減少、超寬帶濾波器和同步轉換噪聲抑制等領域。然而，由于電磁帶隙結構的帶隙特性受到很多因素的影響，如晶格的數(shù)目、形狀、間隔等，很難對其進行建模并將建模結果直接應用到微波器件的設計。因此電磁帶隙結構的應用往往都依賴于對具體三維微波結構的直接仿真，這樣既要花費大量的時間和計算機內(nèi)存，同時也在一定程度上限制了電磁帶隙結構的應用。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提出了一種光子帶隙結構及其三維微波段實現(xiàn)方法，利用電磁縮放原理，從能量束縛角度出發(fā)，將設計好的光子帶隙結構直接移植到三維微波結構上，以克服現(xiàn)有的電磁帶隙結構應用完全依賴于對具體三維結構的直接仿真而帶來的耗費時間長和占用計算機內(nèi)存大等缺點。本發(fā)明提出的光子帶隙結構，由金屬條組成的結構單元構成，其特征在于所述的結構單元沿電磁波傳播方向級聯(lián)連接，每個結構單元由均帶有凹槽的左側金屬條和右側金屬條組成，左側金屬條與右側金屬條對稱放置形成叉指結構，兩條金屬條之間的距離由所需的入射電磁波能量近似全部傳輸?shù)牟ㄩL確定，其中，兩側金屬條之間的距離為上述波長的1 2倍，凹槽處之間的距離為該波長的0. 4 0. 8倍，兩條金屬條兩端長度相等，為該波長的0. 4 0. 6倍，凹槽處長度為該波長的0. 45 0. 55倍。所述結構單元的數(shù)量大于2個，優(yōu)選3 5個。以保證明顯的帶隙特性。所述金屬條周圍為空氣介質或者其他低介電常數(shù)介質。本發(fā)明還提出了一種所述光子帶隙結構的三維微波段結構實現(xiàn)方法，包括以下步驟步驟一，根據(jù)光子帶隙結構入射電磁波能量近似全部傳輸?shù)念l率和所需的微波頻率，利用電磁縮放原理，在不改變光子帶隙結構電磁特性的條件下，確定光子帶隙結構尺寸的放大倍數(shù)；步驟二，在由介質層和設在該介質層上下表面金屬導體構成的三維基板的上表面金屬導體上，刻蝕按倍數(shù)放大后的光子帶隙結構，形成叉指形狀的空氣單元，從而實現(xiàn)電磁帶隙結構，并將下表面金屬導體接地；步驟三，在刻蝕好的電磁帶隙結構的兩端分別刻蝕微帶線和漸變線來激勵電磁帶隙結構。所述三維基板介質層的介電常數(shù)小于3，厚度小于0. 8mm。所述漸變線(4)和微帶線(3)在移植后三維結構的兩端由近及遠分別依次加上， 其中，漸變線(4)的長度和寬度由計算優(yōu)化得到，微帶線(3)的寬度由輸入阻抗和三維基板的介電常數(shù)確定。本發(fā)明提出的光子帶隙結構，具有能實現(xiàn)特定頻率下的入射能量近似全部傳輸?shù)奶匦裕蓱糜趲V波器和電磁隱身領域，而利用光子晶體固有的帶隙特性，還可用于帶阻濾波器以及同步開關噪聲的抑制。本發(fā)明提出的光子帶隙結構的三維微波段實現(xiàn)方法， 將設計好的光子帶隙結構直接移植到三維，大大減少了在具體微波器件中設計電磁帶隙結構所需要的仿真時間和計算機內(nèi)存，為電磁帶隙結構應用提供了新途徑。


下面結合附圖對本發(fā)明光子帶隙結構及其三維微波段實現(xiàn)方法作進一步的描述。圖1是本發(fā)明光子帶隙結構的示意圖。圖2是本發(fā)明光子帶隙結構的能量系數(shù)與時間關系圖，其中虛線表示凈入射能量系數(shù)，實線表示輸出能量系數(shù)。圖3是本發(fā)明光子帶隙結構在2. 2μ m入射波長時的場強分布圖。圖4是本發(fā)明光子帶隙結構的能帶圖。圖5是利用本發(fā)明方法獲得的三維微波段結構實現(xiàn)示意圖。圖6是利用本發(fā)明方法獲得的三維微波段結構實現(xiàn)在12. 53GHz頻率時的場強分布圖。圖7是利用本發(fā)明方法獲得的三維微波段結構實現(xiàn)仿真和測量的傳輸系數(shù)和頻率關系圖，其中虛線表示測量的傳輸系數(shù)，實線表示仿真的傳輸系數(shù)。
具體實施例方式本發(fā)明提出的光子帶隙結構，由結構單元沿電磁波傳播方向級聯(lián)連接；每個結構單元包括左側金屬條1及與其對稱的右側金屬條2，兩金屬條均帶有凹槽，以叉指形狀排列，左側金屬條1與右側金屬條2之間的距離由所需要的入射能量達到近似全部傳輸?shù)牟ㄩL確定，其中，金屬條1與金屬條2的距離為該波長的1-2倍，兩側金屬條凹槽之間的距離為該波長的0. 4 0. 8倍，兩側金屬條的上下兩端的長度均相等，為該波長的0. 4 0. 6倍， 兩側金屬條凹槽處長度，包含橫向的兩側金屬條寬度，為該波長的0. 45 0. 55倍，以上距離以及金屬條不同段長度的具體數(shù)值由時域有限差分方法計算，在上述給定的尺寸范圍內(nèi)進行參數(shù)掃描，尋找給定頻率下入射電磁波能量傳輸?shù)淖顑?yōu)解來獲得。以上距離以及金屬條長度的具體數(shù)值由計算優(yōu)化得到，如時域有限差分方法，金屬條的材料一般選擇銅以便于以加工應用，其介電常數(shù)由Drude模型指定；金屬條周圍為空氣介質或者為其它低介電常數(shù)介質，例如硅。所有金屬條的厚度均相等，且優(yōu)選0. 1 μ m-0. 3 μ m。本發(fā)明提出的利用上述光子帶隙結構完成三維微波段結構實現(xiàn)的方法，是在二維完成光子帶隙結構的設計，將設計好的二維電磁帶隙結構直接移植到三維形成電磁帶隙結構，即利用電磁縮放原理，將光子帶隙結構尺寸放大到所需要的微波頻段上；從能量束縛角度出發(fā)，將放大后的光子帶隙結構移植到三維基板上，該基板由介質層和上下表面金屬導體，一般為銅構成；采用微帶線和漸變線激勵移植后的三維結構，完成光子帶隙結構的三維微波段實現(xiàn)，從而有效解決了現(xiàn)有電磁帶隙結構應用相對復雜以及花費大量時間和計算機內(nèi)存等不足。對于理想導體和理想電介質結構而言，在保持光子帶隙結構介電常數(shù)和磁導率不變的條件下，放大η倍后的光子帶隙結構在入射頻率減小η倍后仍與原光子帶隙結構保持相同的電磁特性，因此，根據(jù)光子帶隙結構入射能量達到近似全部傳輸?shù)念l率和所需的微波頻率確定光子帶隙結構尺寸放大的倍數(shù)。此外，根據(jù)光子帶隙結構和其對應的三維微波結構應以同樣的方式束縛能量從而達到入射能量的近似全部傳輸，在由介質層6和上下表面金屬導體構成的三維基板上表面金屬導體5中蝕刻掉放大后的光子帶隙結構，形成電磁帶隙結構，其中三維基板中間介質層6的介電常數(shù)小于3，厚度小于0.8mm。同時，在三維基板上表面導體刻蝕微帶線和漸變線來激勵電磁帶隙結構，所述微帶線的寬度由輸入阻抗和三維基板的高度以及介電常數(shù)確定，漸變線的長度和寬度由時域有限差分計算以及通過參數(shù)掃描尋找最優(yōu)解得到。完成移植后的三維結構的兩端由近及遠分別依次加上漸變線 4和微帶線3，所述漸變線的長度和寬度由計算優(yōu)化得到，微帶線的寬度由輸入阻抗和三維基板的介電常數(shù)確定。本發(fā)明提出的光子帶隙結構，一個實施例的布局如圖1所示，包含沿電磁波傳播方向級聯(lián)連接的三個結構單元，每個結構單元包含叉指形狀排列的均設有凹槽的左側金屬條1與右側金屬條2，為達到2. 2 μ m波長入射能量的近似全部傳輸，經(jīng)時域有限差分計算及在給定的尺寸范圍內(nèi)進行參數(shù)掃描尋找最優(yōu)解最終得到左側金屬條1與右側金屬條2之間的距離為3μπι，其凹槽處兩金屬條之間的的距離1.4 μ m，兩側金屬條的上下兩端長度均為為1. 05 μ m，凹槽的長度均為1 μ m，金屬條的寬度均為0.2 μ m。金屬材料選擇銅，Drude 模型中的等離子頻率和碰撞頻率分別為1788THZ和2. 196THz。所有金屬條周圍為空氣介質。由圖2可以看出，在2.2μπι的入射波長下，本發(fā)明的光子帶隙結構可實現(xiàn)93 %的入射能量傳輸，在圖3所示的場分布中，也可看到明顯的共振增強現(xiàn)象。圖4給出了光子帶隙結構的能帶圖，可以看出在倒格矢空間Γ周圍出現(xiàn)了歸一化頻率為0. 79 1.23的一個明顯
不巾ο
本發(fā)明所述光子帶隙結構三維微波段實現(xiàn)的方法，一個實施例是，為使三維結構在13GHz，對應波長約為23mm左右出現(xiàn)入射能量的近似全部傳輸，首先根據(jù)電磁縮放原理， 將電磁帶隙結構放大23000/2. 2，約10500倍，其次從能量束縛角度出發(fā)，在三維基板上表面金屬導體5上蝕刻掉放大10500倍后的光子帶隙結構，選取的三維基板介質層6的介電常數(shù)為2. 2，厚度為0. 5mm，下表面金屬導體7為接地單元，上下表面導體材料均為銅。最后在三維基板上刻蝕微帶線和漸變線來激勵電磁帶隙結構，微帶線13的寬度為1. 5mm，對應輸入阻抗為50歐姆，經(jīng)時域有限差分方法計算及參數(shù)掃描得到漸變線14的長度和寬度的最優(yōu)解分別為12mm與6mm。一個實施例的示意圖如圖5所示。圖6為光子帶隙結構三維微波段實現(xiàn)方法的實施例在12. 53GHz的場強分布圖，結合圖3及圖6，兩者相似的場分布以及共振增強現(xiàn)象可說明從光子帶隙結構設計到其三維微波段結構實現(xiàn)方法的正確性。圖7為光子帶隙結構的三維微波段實現(xiàn)方法實施例仿真和測量的傳輸系數(shù)和頻率關系圖，可以看出明顯的帶通和帶阻特性，帶阻的頻率范圍為IOGHz 11GHz，對應歸一化頻率為0. 88 1. 03，落在光子晶體禁帶內(nèi)，進一步說明了光子帶隙結構三維微波段實現(xiàn)方法的正確性。同時由圖7可看出，該電磁帶隙結構的一個直接應用就是構建帶通濾波器和帶阻濾波器。本發(fā)明所述光子帶隙結構三維微波段實現(xiàn)方法的另一實施例是，為使三維結構在 30GHz，對應波長為IOmm左右出現(xiàn)入射能量的近似全部傳輸，首先根據(jù)電磁縮放原理，將電磁帶隙結構放大10000/2. 2，約4500倍。其次從能量束縛角度出發(fā)，在三維基板上表面金屬導體5上蝕刻掉放大后的光子帶隙結構，選取三維基板介質層6的介電常數(shù)為2. 0，厚度為0. 4mm，下表面金屬導體7為接地單元，上下表面導體材料均為銅。最后在三維基板上刻蝕微帶線和漸變線來激勵電磁帶隙結構，微帶線13的寬度為1. 3mm，對應輸入阻抗為50歐姆，經(jīng)時域有限差分方法計算及參數(shù)掃描得到漸變線14的長度和寬度的最優(yōu)解分別為6mm 與8mm。在30. 73GHz出現(xiàn)了明顯的共振增強現(xiàn)象，在23GHz 26GHz出現(xiàn)了明顯的阻帶現(xiàn)象，對應歸一化頻率為1. 08 1. 22，落在光子晶體禁帶內(nèi)，以上均說明了電磁帶隙結構三維微波段實現(xiàn)方法的正確性。雖然在上述實施例的基礎上對本發(fā)明進行了說明，但是本發(fā)明并不局限于此，具有相關領域背景知識的人可以在此基礎上進行多種變形。例如，可以采用別的共振增強特性結構單元進行級聯(lián)實現(xiàn)入射能量的近似全部傳輸，采用不同的級聯(lián)結構單元數(shù)目以滿足達到穩(wěn)定狀態(tài)的響應時間和最大能量傳輸系數(shù)的要求，或者是采用由二維設計到三維實現(xiàn)的方法實現(xiàn)電磁帶隙結構的應用。因此，這些變形以及其它符合本發(fā)明的思想或者采用了本發(fā)明的技術方案，都應屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種光子帶隙結構，由金屬條組成的結構單元構成，其特征在于所述的結構單元沿電磁波傳播方向級聯(lián)連接，每個結構單元由均帶有凹槽的左側金屬條(1)和右側金屬條 ⑵組成，左側金屬條⑴與右側金屬條⑵對稱放置形成叉指結構，左側金屬條⑴和右側金屬條(2)之間的距離由所需的入射電磁波能量近似全部傳輸?shù)牟ㄩL確定，其中，兩側金屬條之間的距離為上述波長的1 2倍，凹槽處之間的距離為該波長的0. 4 0. 8倍，左側金屬條(1)和右側金屬條(2)兩端長度相等，為該波長的0. 4 0. 6倍，凹槽處長度為該波長的0. 45 0. 55倍。
2.根據(jù)權利要求1所述的光子帶隙結構，其特征是結構單元的數(shù)量大于2個，優(yōu)選3 5個。以保證明顯的帶隙特性。
3.根據(jù)權利要求1所述的光子帶隙結構，其特征是金屬條周圍為空氣介質或者其他低介電常數(shù)介質。
4.一種根據(jù)權利要求1所述的光子帶隙結構的三維微波段結構實現(xiàn)方法，包括以下步驟步驟一，根據(jù)光子帶隙結構入射電磁波能量近似全部傳輸?shù)念l率和所需的微波頻率， 利用電磁縮放原理，在不改變光子帶隙結構電磁特性的條件下，確定光子帶隙結構尺寸的放大倍數(shù)；步驟二，在由介質層(6)和設在該介質層上下表面金屬導體構成的三維基板的上表面金屬導體(5)上，刻蝕按倍數(shù)放大后的光子帶隙結構，形成叉指形狀的空氣單元，從而實現(xiàn)電磁帶隙結構，并將下表面金屬導體(7)接地；步驟三，在刻蝕好的電磁帶隙結構的兩端分別刻蝕微帶線(3)和漸變線(4)來激勵電磁帶隙結構。
5.根據(jù)權利要求4所述的光子帶隙結構的三維微波段實現(xiàn)方法，其特征是三維基板介質層(6)的介電常數(shù)小于3，厚度小于0.8mm。
6.根據(jù)權利要求4所述的光子帶隙結構的三維實現(xiàn)方法，其特征是漸變線(4)和微帶線(3)在移植后三維結構的兩端由近及遠分別依次加上，其中，漸變線(4)的長度和寬度由計算優(yōu)化得到，微帶線(3)的寬度由輸入阻抗和三維基板的介電常數(shù)確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光子帶隙結構及其三維微波段實現(xiàn)方法，屬于微波技術領域。該光子帶隙結構由結構單元級聯(lián)而成，每個結構單元由叉指形狀排列的金屬條構成，可實現(xiàn)特定頻率下的入射電磁波能量的近似全部傳輸。本發(fā)明提出的光子帶隙結構三維微波段實現(xiàn)方法主要是利用電磁縮放原理，將光子帶隙結構尺寸放大到所需要的微波頻段上；從能量束縛角度出發(fā)，將光子帶隙結構移植到三維基板上；采用微帶線和漸變線激勵移植后的三維結構。本發(fā)明提出的結構簡單，易于設計，其三維微波段實現(xiàn)方法將大大減少光子帶隙結構在微波段具體應用的仿真時間，為其在帶通、帶阻濾波器和電磁隱身等領域的應用帶來極大的便利。
文檔編號G06F17/50GK102324903SQ20111015534
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權日2011年6月10日
發(fā)明者何偉, 寧煥生, 毛凌鋒, 汪俊 申請人:北京航空航天大學