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光子晶体在微波技术中的应用.pdf

光子晶体在微波技术中的应用.pdf

上传者: 133*****842@sina.cn 2013-07-26 评分 4.5 0 53 7 239 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《光子晶体在微波技术中的应用pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含!"#卷(#$$"年)#期光子晶体在微波技术中的应用!江海涛!!李云辉!!李宏强!!朱荣林#!!张冶文!!陈鸿(!同济大学波耳固体物理研究所!上海!符等。

!"#卷(#$$"年)#期光子晶体在微波技术中的应用!江海涛!!李云辉!!李宏强!!朱荣林#!!张冶文!!陈鸿(!同济大学波耳固体物理研究所!上海!#$$$’#)(#!上海航天测控通讯研究所!上海!#$$$())摘!要!!文章以高方向性天线及光子晶体微带传输线为例综述了光子晶体在微波技术中的研究进展*将光子晶体与传统的微波技术相结合可以设计并制作许多小型、高效的新型微波器件*这类新型光子晶体材料在微波通讯中有着广阔的应用前景*关键词!!光子晶体微波天线微带传输线!""#$’$()*(",(’()$*’#*$)$(’,)(#(,!!,!!,::<=>:#!!<!!AB:(!!"#$’()(*(","$)((!#’)’"))’)(##)#$$$’##))(#!##),$)#($"::*)()"’()(*(##)#$$$()#))!*’’CDDEFGHDCGFFIJKGEKLFIMNONFKKDFEEJC:COIFGNGKODCGFPO:DLFIKGIDKGIFGIKKINMO*QJFLDFGOHHFGONFKPKOKFCFIJKGEKFPOK:OOHPIFGOMGCGCOHGIOGELFIMNGFCE:J*RCGFFIJKGEKMEECNNIJDILK:DDEFGKLFIMNFLLFG*(*DCGFFIJKGELFIMNGLFIKGIDKGIFGI!!国家重点基础研究发展计划(九七三计划)(批准号:#$$AS)$T)国家自然科学基金(批准号:U$#VV$#))上海市科委、中国航天科技集团专项基金资助项目#$$"W$TWU收到初稿#$$"W$VW$修回!通讯联系人*BLE:CFCXYE*KC*F!!光子晶体是一类介电系数周期性分布的人工结构材料它是由PENGFC在’(V年首次提出的[]*光子晶体为操纵电磁波输运提供了一个理想的工作平台具有代表性的应用包括:高效率天线衬底、高品质谐振腔、光子晶体光纤、基于光子晶体的全光光路设计、各种滤波器等等*其核心在于通过对材料结构的设计控制一定频率范围内或某固定频率的电磁波在空间不同方向上的滤波、输运和发射这一思想给光通信技术特别是给基于体材料电磁特性的传统微波通信技术带来革命性的创新理念*现代微加工技术很容易在微波、毫米波段制备各种具有复杂周期结构的复合材料而在可见光和红外波段制备同类结构则非常困难*由于在微波波段光子晶体广阔的应用前景大量在可见光和红外区光子晶体的器件模型被迅速移植到微波、毫米波乃至亚毫米波段涉及各种微波传输线、谐振腔、天线、超大规模微波集成电路等各个方面*光子晶体在微波波段有一些奇异的特性如实验发现金属W介电光子晶体在微波中的某些频段可实现负的有效折射率[#]*这种具有负有效折射率的结构有着广泛的实际应用如制作光控制器、调制器、带通滤波器及允许亚波长点源聚焦的新型透镜等*利用金属W介电光子晶体还可以制作具有高表面阻抗及相位可控的的电磁波反射材料["]这种材料可用于高隔离度的低幅面天线基底[TU]*本文主要介绍光子晶体在微波技术的两大领域:微波天线及微波传输线中的应用*通过平面工艺前沿进展物理等成熟的微加工技术可以将光子晶体用于微波集成电路和天线的设计其优点包括:可使线路小型化可减少交叉耦合干扰和抑制表面波抑制功率放大器的滤波器的高次谐波增加天线增益改善天线的辐射特性等!"#基于光子晶体的微波天线最早利用光子晶体的特性来改善天线的辐射性能是用光子晶体代替传统的金属来做天线的基底[$]!当发射电磁波的频率落在光子晶体的光子带隙时可以大大抑制表面波抑制基底吸收提高天线的发射效率!目前人们主要是直接用光子晶体来设计微波天线用以大幅度提高天线的准直性和发射效率!其中主要有两类基于光子晶体的新型高方向性天线!第一类新型高方向性天线是基于金属网格状的金属介电光子晶体[]!当金属网格的周期小于微波波长时该结构可看成一种具有低等离子体频率的均匀材料!这意味着该结构中电磁波传播模式的色散关系类似于固体中的等离子体电子气!其有效介电常数在微波频段可写成!’((!""")*#")$(")当发射电磁波的频率接近该结构的等离子体频率时(""*)根据上式该结构的有效介电常数!’((或者有效折射率’((!!’((的值将小于"并最终接近于,!由斯涅耳定律(’)定理可知电磁波将以非常靠近垂直金属网格平面的方向发射出来或者说发射场将集中在垂直方向附近!一种由金属介电光子晶体构成的微波天线的结构如图"()所示!该结构由介质中的六层网格状铜板构成!铜板中方形格子在’方向上的周期均为!格子长为!!铜板与铜板之间被$!厚((方向)的介质填充!铜板边长为))$!由同轴线馈电的金属辐射片放置在第三与第四块铜板之间!实验得到该结构的低频等离子体频率"*为"!:!图"()为天线辐射方向图的测试结果天线的发射频率为"!$:!从图中可见发射电磁波集中在竖直方向上!天线的辐射方向性由方向性系数确定:)!!#("#""#))())式中"#"、"#)分别为*面和面的方向图中的半功率波瓣宽度!根据"#"、"#)的实验结果可得到这种新型天线的方向性系数高达)!这种天线还有一个有趣的特点那就是它可以被单一馈电装置(贴片、单极子等)激励!在体积上这种新型天线要比传统天线小得多!因此这类高方向性的小型微波天线在微波通信中的应用前景诱人!图"()金属网格状光子晶体的微波天线的结构示意图(由同轴线输入的激励源大约位于结构的中心)()发射天线在面(实线)及<面(虚线)的方向图测试结果上述现象也可用金属介质光子晶体在光子带边的方向角特性来解释[]!在金属介电光子晶体中存在一较宽的低频带隙其带边随入射角度的变化而较敏感地移动!因此通过选择合适的结构参数及合适的频率可让垂直方向附近的电磁波发射出去而偏离垂直方向的电磁波被阻挡!但对于上述两种解释即零折射率机制及带边方向角机制它们之间的对应关系目前还不是很清楚!第二类新型高方向性天线是基于含缺陷的光子晶体共振天线!这种新型天线可利用含缺陷的一维、二维及三维光子晶体[""]!含缺陷的光子晶体也可看作光子晶体微腔对一维而言就是两边为布拉格反射镜的法布里珀罗谐振腔!最简单的基于一维光子晶体微腔的共振天线的结构如图)所示!辐射频率为),:时上述天线在面及<面的方向图类似图"()!理论值及实验值均表明在共振模频率附近发射场具有很好的方向特性!这是由于共振模随入射角的变化而移动导致发射场具有方向性的结果!对于微腔的共振波长随着入射角的方向偏离垂直方向发射电磁波的透射系数迅速下降这就!!"前沿进展!"#卷(#$$"年)#期导致发射场具有很好的方向性对于逐层生长的三维光子晶体微腔由于朝不同方向发射的电磁波可以耦合到共振模上因此其发射效率要高于一维光子晶体微腔[]这类天线同样可被单一馈电装置激励且其体积要比传统的微波天线小得多图#!基于一维光子晶体微腔的共振天线的结构示意图#!光子晶体微带线对光频段的光子晶体带隙的产生取决于介电系数!或折射率!"!"!的周期性变化而对于微波波段的光子晶体特征阻抗#""$!!起着重要作用[#]周期性变化的特征阻抗同样可导致微波带隙的出现["]在微波波段人们能够通过控制结构和尺寸来实现空间各种复杂调制的特征阻抗这为设计与制作微波光子晶体及器件提供了广阔的参数空间相比较而言对光频段的光子晶体由于制备条件与材料的限制要实现空间复杂调制的折射率是非常困难的以微带传输线为例只需使微带导线或基板的形状周期性地变化即可做成微波光子晶体其中最简单的光子晶体微带传输线是在金属基板上周期性地打圆孔[’]在基板上对着导线对称地打三排孔这就是二维光子晶体微带线理论及实验表明由于电磁波被约束在传输导线与金属基板之间只需在对着传输导线下的基板上打一排孔即可构成光子晶体微带线这就是一维光子晶体微带线一维及二维光子晶体微带线构成的微波反射器的结构如图"(()所示相应的参数(反射系数)实验值如图"())所示从图中可以看出一维及二维光子晶体微带反射器的参数值相差很小由于现有的平面加工工艺可以很方便地在基板或微带导线上制作出各种各样的图案同时为了改善结构的幅频特性如增加带宽使通带变平坦等图"(()一维及二维光子晶体微带反射器的照片())一维及二维光子晶体微带反射器的参数实验值孔半径与孔周期之比为$*#人们采用了线性调制及渐变调制等技术来优化改善结构的响应参数改善器件的工作性能[]此外利用网络布局技术可以抑制频率响应中的二次及高次带隙[,]根据能带理论光子晶体的频率响应与折射率或者特征阻抗调制结构的傅立叶分量有关如果在金属基板上刻出连续的正弦图案如图’(()所示由于正弦函数的傅立叶分量中只有单一频率可预期器件的频率响应中的高次带隙将被大大抑制实验测量结果表明器件的参数图中只存在单一带隙二次带隙被强烈抑制如图’())所示具有非周期频率响应的微带线在滤波器的设计中有很好的应用前景在底板上刻上由各种不同正弦函数构成的图案还可以做成可调多频的光子晶体微带结构[]另一方面为了减小微带线的纵向长度人们设计出了折叠(弯曲)一维光子晶体微带线[]这种新!"#前沿进展物理图!(")基板刻有连续正弦图案的一维光子晶体微带线的照片(#)为图!(")所示结构的!$$(细线)及!$(粗线)参数的实验测量值其中正弦周期为’())周期数为(振幅与周期比为*’图(")折叠一维光子晶体微带线的结构示意图(#)折叠(实线)与直线(点线)光子晶体反射器的!$参数模拟值’其中孔周期为$’))孔半径与孔周期之比为*’周期数为(,)型光子晶体微带线的结构如图(")所示它是在底板周期性打孔而导线设计成折叠状’由于电磁波被局域在传输导线与金属基板之间电磁波可按照设计的形状拐弯’参数值相同的折叠光子晶体反射器与笔直光子晶体反射器的!$参数(透射系数)模拟值的比较如图(#)所示’由图可见折叠光子晶体反射器的!$参数与笔直光子晶体反射器的!$参数相差不大基本可满足实际需要同时又可大大降低器件的纵向长度’经过优化技术这类结构灵巧的光子晶体微带线可获得比较好的响应特性在微波集成电路中有很好的应用潜力[$(]’图具有双周期圆孔的光子晶体微带线的结构示意图(")用于抑制平行互耦(#)用于抑制交叉互耦此外光子晶体微带线在高密度微波集成电路中的另一应用是可以抑制不同微带线之间的互耦包括平行微带线及交叉微带线从而大大减小集成电路的体积使电路小型化[*]’基板具有双周期圆孔的光子晶体微带线的结构如图所示’在图(")中左边的微带线可以传输波段的信号而屏蔽波段的信号而右边的微带线则可传输波段的信号而屏蔽波段的信号这就使得左右传输线之!"#前沿进展!"#卷(#$$"年)#期间的互耦大大降低实验结果表明与传统微带线相比左右传输线之间的互耦被大大抑制采用同样的方法可以抑制交叉光子晶体微带传输线之间的互耦传统的高密度微波电路为了避免交叉互耦常常需要采用多层结构使电路空间增大而采用交叉光子晶体微带线结构则可以大量节约电路空间总之光子晶体微带线由于其特有的优点在微波集成电路及天线中应用广泛例如它可被用来制作高效宽带的小型带通滤波器、反射器、选频器、能量放大器、天线的基底等"!展望光子晶体在微波技术中的应用非常广泛高方向性天线及微波传输线只是其中的两大应用领域由于微波材料的工艺制作相对简单成本较低这类新型的光子晶体材料将会在微波技术中有着非常诱人的应用前景和十分广阔的潜在市场参考文献[]’()*,:<::#$<[#]=*)>==A*B==,#$$##:["]=,CCDEFGHCI(,*D(G,ADJ(KH,DJL(*JD,(M[N]张冶文陈鸿电工技术杂志#$$##:$[O(,G’PL,F*D,(*QAD,(*#$$##:$(,L,)][<]宋文仙黄晓岳李宏强等微波学报#$$":<[=,GPRFA(,GR’AFS!"#$>(TDU(=,(#$$":<(,L,)][V]WDU,(DXDL’()*,QYC=>W"$:N$N[],=M()Z=()ADA!"#$#$$#::#"$#[:]M()Z,==()ADA!"#$C:GD(DI()JDJDJ(Q^>‘#$$#CIJ[]=DDLLCLL(,(*(!"#$TDU(Y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