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1、EBG在在微波系系统中的的发展及及其应用用潘小丹(中国传传媒大学学信息工工程学院院 北京京10000244)摘要：EEBG结结构是可可以实现现电磁带带隙（EEBG，EElecctroomaggnettic Banndgaap）的的周期性性结构。由由于其表表现出来来的电磁磁带隙特特性，使使得微波波毫米波波波段EEBG器器件得到到越来越越深入的的研究。EEBG微微波器件件具有损损耗小，散散热好的的特点，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
2、波器件的应用进行了概括和总结。关键字：EBGG FDDTD 平面波波展开法法 有限限元法The Devveloopmeentss annd AAppllicaatioons of EEBGPan Xiaao ddan(CommmunnicaatioonUnniveersiity of Chiina, InnforrmattionnEnggineeeriingSSchoool, Beeijiing,10000244)Absttracct: EBGG iss a kinnd oof pperiiodiicall sttruccturre tthatt caan rreallizee Ellectt
3、rommagnnetiic BBanddgapp。It hhas atttracctedd inntennse atttenttionn beecauuse of thee ellecttrommagnnetiic bbanddgapp prropeertiies in miccrowwavee baandss. TThe EBGG sttruccturre pprovvidees ggoodd raadiaatioon aand exttremmelyy loow llosss, sso iit hhas a wwidee raangee off apppliicattionns iin m
4、micrrowaave fieeldss, eespeeciaallyy inn thhe mmicrrosttripp ciircuuitss annd aanteennaas. In thiis ppapeer, thee maain chaaraccterristticss annd pphyssicaal sstruuctuuress arre iintrroduucedd, aand commbinned witth tthe treend of nummeriicall siimullatiionss; tthe advvanttagee annd ddisaadvaantaage
5、 of thrree commmonnly useed nnumeericcal metthodds aare commparred. The apppliccatiionss off EBBG sstruuctuure in miccrowwavee deevicces aree suummaarizzed.Keywwordds: EBGG FDDTD plaanarr-waave-metthodd fiinitte-eelemmentt-meethood随着半导导体工艺艺的进步步与信息息科学的的发展，新新技术的的不断涌涌现，电电路系统统的超小小型化、高高集成度度和高性性能越来来越成为为人们
6、追追求的目目标。电电磁带隙隙（EBBG）结结构由于于其形式式灵活，而而且便于于通过集集成工艺艺方便地地实现，引引起了广广泛的关关注。一 电磁带隙隙结构的的主要特特性及其其物理结结构电磁带隙隙（ellecttrommagnnetiic bbanddgapp）结构构是具有有带阻特特性的周周期结构构，最初初的概念念来源于于光学的的光子带带隙结构构(phhotoonicc baandggap)，也叫叫光子晶晶体（pphottoniic ccrysstall）结构构，由美美国UCCLA的的Yabbnolloviitchh教授在在研究如如何抑制制自发辐辐射时在在19887年提提出的，它它具有类类似于半半导
7、体带带能的光光子禁带带，频率率处于禁禁带内的的光子将将无法传传播。如果在在光子晶晶体中引引入缺陷陷，打破破其周期期性，就就可实现现对光子子的局域域和传输输控制。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
8、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1 EEBG结结构示意意图将电磁带带隙概念念引入到到集成电电路的设设计和制制作工艺艺中，利利用现有有的集成成电路工工艺，如如反应离离子体刻刻蚀、LLIGAA等，实实现电磁磁带隙与与集成电电路的有有机结合合，不仅仅能降低低电磁带带隙的制制作难度度和成本本，还能能大大改改善电路路的整体体性能，为为电路的的进一步步集成化化、小型型化提供供新的设设计思路路。电磁
9、带隙隙结构的的特性主主要有：带阻、慢慢波、高高阻抗，具具有制作作简单、体体积小、重重量轻、便便于集成成等优点点，在集集成性、重重量及成成本上都都具有不不可替代代的优势势。利用用EBGG结构的的带阻特特性，可可以用于于设计滤滤波器、功功分器、定定向耦合合器以及及滤除功功率放大大器中的的高次谐谐波，提提高放大大器效率率；利用用单元电电磁带隙隙结构作作为振荡荡器中的的谐振腔腔，减少少振荡器器的相位位噪声等等。光子晶晶体器件件还有一一个突出出的优点点：损耗耗极低，基基本可以以实现无无损传输输，这就就意味着着可以节节约大量量的光中中继放大大器设备备，极大大地降低低建设成成本，同同时很多多相应的的通信技技
10、术难题题如光放放大后的的信号畸畸变问题题、光传传输中的的电子瓶瓶颈问题题等也迎迎刃而解解。EBG结结构是具具有带阻阻特性的的周期性性结构，可可以采用用金属、介介质、铁铁磁或铁铁电物质质植入基基质材料料，或者者直接由由各种材材料周期期性排列列而成。目目前国内内外提出出的EBBG结构构多种多多样，比比如在介介质基板板中穿孔孔，或在在介质基基板中填填充其他他材料或或金属，后后者更适适合于集集成化的的要求。目前国际际上的电电磁带隙隙集成电电路主要要集中在在于研发发基于集集成光学学工艺的的电磁带带隙制作作工艺和和基于有有效电磁磁带隙模模型基础础上的集集成光学学模块，包包括低损损耗的博博导、耦耦合器、滤滤
11、波器以以及各种种互联器器件。硅硅基和砷砷化镓基基的电磁磁带隙集集成电路路也有研研究。欧欧洲信息息技术学学会（IIST）则则提出了了基于IInP的的光子集集成电路路概念，直直接面向向光纤通通信中的的应用，而而对于迅迅速发展展的无线线通信领领域设计计很少。光子晶体体的基本本特征是是具有光光子带隙隙，频率率落在带带隙中的的电磁波波是被禁禁止传播播的。如如果光子子晶体只只在一个个方向上上具有周周期结构构，光子子带隙只只可能出出现在这这个方向向上。如如果存在在三位的的周期结结构，光光子带隙隙就可能能出现全全方位光光子带隙隙，落在在禁带中中的光在在任何方方向都被被禁止传传播。光光子晶体体可分为为一维、二二
12、维和三三维光子子晶体。通通常将一一个方向向上具有有光子带带隙的材材料称为为一维光光子晶体体，这种种光子晶晶体在结结构上最最为简单单，易于于制备，目目前在光光纤和半半导体激激光器中中已得到到应用。二二维光子子晶体是是指在二二维空间间各个方方向上都都具有光光子带隙隙的材料料。由于于二维光光子晶体体相对来来说易于于制造，并并且二维维光子晶晶体也具具有三维维光子能能带带隙隙，二维维光子晶晶体成为为当前研研究最多多的一种种结构。从从应用角角度考虑虑，三维维光子晶晶体的完完全能隙隙具有重重要的应应用价值值，但三三维光子子晶体的的制备比比较困难难。一般般来说，光光子晶体体介质的的介电常常数反差差越大（一一般
13、大于于2），得得到光子子带隙的的可能性性越大，光光子带隙隙的出现现和调节节主要取取决于晶晶格类型型、组成成材料的的介电常常数配比比及高介介电常数数材料的的填充比比，条件件比较苛苛刻。制制作具有有完全光光子带隙隙的光子子晶体是是人们面面临的一一项巨大大挑战。二 几种常见见的PBBG结构构EBG结结构是由由周期性性的金属属或介质质单元构构成，具具有带阻阻特性，它它的带阻阻特性与与周期性性单元的的尺寸、周周期大小小和材料料的介电电常数有有关。除除了具有有带阻特特性，EEBG结结构还具具有慢波波效应和和高等效效特性阻阻抗特性性。（1） 在介质中中钻周期期形式的的孔或在在地板上上蚀刻周周期性的的圆周而而
14、形成的的崎岖不不平的表表面。这这种不平平整的金金属表面面会有很很窄的表表面波带带隙。图图（a）所示示的是突突出物之之间的带带隙表面面的下边边界电场场，图（b）是是围绕突突出物的的带隙表表面的上上边界电电场，由由此形成成一个慢慢波结构构。图2 崎崎岖不平平的金属属薄片 （a）突突出物外外包裹的的电场（）突出出物之间间的电场场（2） 褶皱的表表面结构构：在一一个金属属厚板上上垂直开开一系列列的槽缝缝形成了了褶皱的的表面结结构。由由于槽缝缝很窄（）,所以这这种结构构的工作作波长是是在一个个波长内内。如果果槽的深深度有四四分之一一波长深深，底部部的短路路则是由由槽的顶顶端开路路转换形形成的，顶顶部的表
15、表面阻抗抗非常高高。图所示为为褶皱型型的表面面结构。图褶褶皱的表表面结构构（3） 金属衬垫垫或是高高阻抗表表面：利利用三角角形或矩矩形的金金属衬垫垫格子或或将他们们通孔同同地板相相连接，被被用来提提高平面面天线的的增益。这这些结构构用紧凑凑的平面面电磁晶晶体来实实现，使使在微波波频段内内具有一一个完美美的阻带带。高阻阻抗表面面具有抑抑制表面面波的作作用，还还能实现现一定频频带范围围内的同同相反射射。图（a）为两层层高阻抗抗表面结结构图的的横截面面，图（）为为其俯视视图。图两两层的高高阻抗面面结构图图（a）横横截面图图（b）俯俯视图三 EBG结结构的研研究方法法光子晶体体概念提提出之初初完全是是
16、基于固固体物理理中的能能带理论论，把光光子晶体体对光子子的作用用类比为为半导体体中原子子点阵对对电子的的作用，像像倒格矢矢、布里里渊区、散散射图等等描述固固体能带带的概念念被用来来描述光光子晶体体的禁带带。但此此理论仅仅仅把电电磁场当当成标量量波处理理，没有有考虑其其矢量特特性，不不够精确确。900年代出出现了平平面波展展开法（PPWM），基基本原理理是把周周期变化化的介电电常数按按傅里叶叶变换展展开，再再把矢量量以布洛洛赫波展展开，电电磁场的的双旋度度方程就就可以转转化为求求解久期期方程的的特征函函数和特特征值，从从而可以以通过数数值计算算方法求求解，其其计算结结果与实实验结果果吻合较较好，大大大提高高了光子子晶体能能带结构构计算的的精度，原原理简单单，计算算量小。但但PMWW的前提提条件是是介电常常数必须须
