光子带隙结构及其在电磁兼容天线中的应用

  Belle ·  2011-04-13 22:36  ·  14737 次点击
VicenteRodríguez-Pereyra博士
ETS-LindgrenCedarPark,TX
最近光子结构的概念已被应用于微波频率范围的研究中1,2。光子带隙结构类似于晶格结构。我们知道,天然晶体中存在某种未发生或“不可能的”能级水平。在这些特定的能级水平,电子根本不能存在。得自这些电子带隙的观察结果可推至电磁领域。在光子晶体中,就像在天然晶体中一样,也存在着某些能级水平,某些光子能量不能在此能级水平存在3。光子能量等于频率与普朗克常数之积。
E=hf
这个等式表明,既然光子的一些能级水平在光子晶体不可能存在,那么与这些能级水平相关的频率就不能在光子晶体中传播。
那么这些光子晶体的构造是怎样的呢?天然晶体的类似结构对我们会有些启示。在一个天然晶体内,离子位于几何晶格的侧面或顶点上。Yablono­vitch3曾试图利用泡沫的支撑来定位介电球,但是他的“介电晶体”并没有展示出光子带隙特征(图1a)。接着又使用了相反的方法,在一个介电区块内钻一些小孔(图1b)。这个几何形的“瑞士硬干酪”确实展现出了光子带隙特征。
图1.Yablonovitch曾尝试的介电晶体结构
Maradudin和McGurn4引入了一个更简单的光子带隙结构。Maradudin的光子带隙结构是一个二维的Bravais晶格。在一个不同的介电背景内引入介电棒。该结构被置于两块导体薄板之间(图2)。该结构预先阻止了某些频带的传播。
图2.展示出光子带隙行为的Bravais二维晶格介电晶体
在微波和射频中的应用
如上述所指出的,这些结构已被用于光学领域——比如激光器中的镜子。最近这些概念才被应用于更低的频谱。滤波是最初的应用之一。由于它们阻挡某些频段,这些结构可用来阻挡无用频率。在一些例子中1,?2,?5,借鉴了二维Bravais型晶格的想法。Rasidic等人.1通过沿着微带线在介电基片内钻孔来构建他们的晶格(图3)。由于我们清楚电磁能传播的方向,二维晶格就会很有用。在Rasidic等人.1的论文“thePBGstructureisplacedontheoutputofanamplifiertofilterundesirednoiseandharmonics”中,以及Rasidic等人.1的“anotherapproachforcreatingaPBGstructurealongmicrostriplinesisintroduced”一文中,图4显示,在这种情况下,孔被刻在该结构的零电位平面上。所报告的测量结果2得到了图46中数值分析的印证。
图3.通过在基片上钻孔构建在接地电介电基片上的光子带隙结构
图4.在微带线的零电位平面上刻孔而构建的光子带隙结构。测量结果和利用FDTD技术估算的结构显示了没有穿过微带线的“不可能的”频率
图5展示了Rumsey等人5的“threedifferentPBGstructuresarelinkedtogethertocreateabroadbandfilter”一文所述的这些结构。
图5.通过串联三个光子带隙结构(通过在基片上钻孔而构建起来的)而构建的宽频带滤波器。显示的结果与中估算的结果进行了比较
在电磁兼容中的应用
光子带隙结构在电磁兼容中的应用还不是很广泛。在Rodriguez等人6的“thepossibilityofusingaPBGtoreducecrosstalkinamicrostriplinewasintroduced”一文中,作者证明,如果一条微带线带有能够偶联到附近一条线的已知频率,在无源微带线下使用光子带隙结构可以减少偶联,从而改善有效微带线上的传输(图6)。
图6.所示为光子带隙结构用来减少印刷电路线路之间的偶联。对一系列减少串扰技术的结果进行了对比
同时,光子带隙结构已被研究证明是在微带印刷天线中减少谐波的一种方法。特别是用三维光子带隙结构作为天线的基片。在电磁兼容天线中使用这些结构是一个全新的想法。这些结构在某些频率处不可见,而在其他频率处则表现得像导体(不允许某些频率穿过),所以将它们应用在宽带天线上看起来很有前途。
电磁兼容天线通常是宽频带。设计宽频带天线是个挑战。当修正天线的某些部分来改进性能时,某些其他频率处的性能可能会降低。图7显示了如何将光子带隙结构在某些工作频率处用作波束形成结构而不影响其他频率(它们在此处不可见)。图7中的喇叭天线在一个给定的低频率下工作。随着频率增加,更高阶模会从馈电腔内发射。这些阶模可能不会辐射,或者可能辐射出分裂波束。在馈电腔内放置光子带隙结构可以减少更高阶模,并且在更高频率处允许有效模式,从而在不影响低频率行为的同时提高喇叭天线的带宽。
图7.光子带隙结构在增加标准喇叭天线频率带宽中的理论应用
光子带隙结构的局限性
和每项技术一样,光子带隙结构也有它们的局限性。虽然二维光子带隙结构很容易构建,三维光子带隙结构却并不容易制造。而且,为了将光子带隙结构有效地用于电磁兼容天线的设计中,需要有天线领域的先验知识。(还有,这可以通过数值模拟获得)。光子带隙结构的另外一个局限性与其尺寸相关。为了有效地阻挡能量的传播,光子带隙结构必须具有“足够大的电大尺寸”(理想情况是无限大)。一个小的光子带隙结构能够减弱传播波,但是却不能完全阻挡其传播。在印刷电路的设计中,光子带隙结构可能会比集总元件构成的滤波器占用更大的面积,这一局限性就显得尤为重要了。
结论
现在的研究工作已经探究了光子带隙结构的基本原理以及对它们的一些应用。该领域还有很多工作需要做,特别是确定能否有效利用这些结构来提高对电磁兼容至关重要的宽频带天线的性能。也对光子带隙结构的某些局限性进行了探究。
参考文献
1.Rasidicetal.“Broad-BandAmplifierUsingDielectricPhotonicBandgapStructure.”IEEEMicrowaveGuidedWaveLetters,Vol.8,No.1.January1998.p.13.
2.Rasidicetal.“Novel2DPhotonicBandgapStructureforMicrostripLines.”IEEEMicrowaveGuidedWaveLetters,Vol.8,No.2.February1998.p.69.
3.Yablonovitch.“PhotonicBandgapStructures.”J.Opt.Soc.Am.B.,Vol.10,No.2.February1993.pp.283–295.
4.Maradudinetal.“PhotonicBandStructureofaTruncated,2D,PeriodicDielectricMedium.”J.Opt.Soc.Am.B.,Vol.10,No.2.February1993.pp.307–313.
5.Rumseyetal.“PhotonicBandgapStruturesUsedasFiltersinMicrostripCircuits.”IEEEMicrowaveGuidedWaveLetters,Vol8,No10.October1998.
6.V.Rodriguez-Pereyra,A.Z.Elsherbeni,andC.E.Smith.“PhotonicBandgapStructuresforMinimizingtheCouplingBetweenMicrostripLines.”1999IEEEAP-SInternationalSymposiumandUSNC/URSINationalRadioScienceMeeting.Orlando,Florida.July1999.
VicenteRodríguez-Pereyra博士曾就读于密西西比大学,并分别于1994年、1996年和1999年获得了电气工程学士学位、硕士学位和博士学位。从1994年开始,他成为了密西西比大学电气工程系的一名研究助理。在1999年8月到2000年5月期间,他以访问学者的身份在德克萨斯A&M金斯维尔分校担任电气工程和计算机科学专业的副教授。2000年5月,他加入ETS-Lindgren,成为了一名射频和电磁兼容工程师。
Rodriguez博士的兴趣是电磁兼容的数值方法——特别是在天线以及射频/微波减振器设计的应用方面。Rodriguez博士是超过15篇出版物的作者,包括期刊和会议论文,以及对教科书的贡献。Rodriguez博士是美国国际文化交流协会(ACES)、电气与电子工程师协会及其技术分会的成员。你可以通过Vince.Rodriguez@ets-lindgren.com与Rodriguez博士取得联系,或者访问www.ets-lindgren.com。

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