一种宽阻带小型化渐变型EBG的设计制造技术

本发明专利技术涉及一种宽阻带、小型化渐变型EBG的设计，属于电磁传播与接收技术领域。本发明专利技术提出了一种使用渐变型表面结构和渐变型缺陷地结合的EBG结构来实现宽阻带特性，具体而言，在EBG表面的传输线上蚀刻不同大小(从小变大)的“I”字形状结构，并在地面开不同大小的圆形槽，通过调整二者的具体结构参数以及位置分布实现宽阻带。该EBG的阻带为1.88—29.2GHz(带宽27.3GHz)，可见该EBG阻带很宽，而且将以往对称渐变过程的后半段对称部分减去可以使得整体体积比较小，为40*20*0.6mm3。而且本设计制作过程与制作工艺都比较简单，最后使用PCB印刷技术将设计的EBG制作成实物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出了一种基于缺陷地的新型渐变型的EBG结构，突出的优点是它的宽阻带和小型化特性，属于电磁波传播与接收的

技术介绍
1.EBG概念及其发展EBG(电磁带隙结构：ElectromagneticBandGap)的概念实际上来自光子晶体(Photonicscrystal)概念的推广，是指人造的周期性结构(有时也是非周期的)，能够阻止或者促进特定频域内所有入射波和所有极化状态的电磁波的传播。它是由美国Bell实验室的Yablonovitch和Princeton大学的S.John，1987年分别在讨论如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域谐振时，各自独立的提出的。光子晶体是一种非常典型的光子带隙(PhotonicBandgap,PBG)材料，帯隙的概念逐渐在微波频段广泛研究，逐渐称之为EBG。在20世纪90年代末期，两种重要的平面EBG结构被提出，一种是1999年提出蘑菇形的EBG结构(文献1，D.Sievenpiper,L.Zhang,R.F.J.Broas,N.G.Alexopolus,andE.Yablonovitch.Highimpedanceelectromagneticsurfaceswithaforbiddenfrequencyband.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.47,2059–74,1999.)；另一种是1999年提出的共面紧凑型EBG结构(文献2，F.-R.Yang,K.-P.Ma,Y.Qian,andT.Itoh.Auniplanarcompactphotonic-bandgap(UC-PBG)structureanditsapplicationsformicrowavecircuits.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.47,no.8,1509–14,1999.)。2.EBG阻带特性EBG结构具有两个显著的特性：一是阻止特定频率内电磁波的传播；二是对特定频率内的入射波具有同相的反射波，类似于自然界中不存在的理想磁导体。本专利技术是针对EBG结构的表面波特性，即阻止特定频率内电磁波的传播的特性进行研究的。表面波的传播在天线辐射中是一个重要问题，它要消耗一部分能量，影响天线辐射，从而降低了天线的增益。电磁带隙结构具有禁带特性，通过在天线辐射体周围引入电磁带隙结构，可抑制表面波在天线表面的传播，使能量集中向主辐射方向辐射，提高天线的增益。3.渐变型EBG根据Bragg散射条件可知a＝λg/2，a是周期单元的尺寸，λg是频率对应的波导波长，EBG结构单元的大小与帯隙中心频率对应的导波波长成正比，渐变型的EBG中每个结构单元之间的尺寸不同，可以产生不同的中心频率，不同的中心频率相互叠加可以拓宽EBG的带隙，使得渐变型EBG具有普通EBG不能相比的宽阻带特性。4.EBG小型化在之前的参考文献(文献3，ShaoYingHuang,andYeeHuiLee.TaperedDual-PlaneCompactElectromagneticBandgapMicrostripFilterStructures.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech,VOL.53,NO.9,2005)中，设计的渐变型EBG结构都是由一个初始单元为基础，以小-->大-->小的趋势逐渐变化，这种变化过程即使减小各个结构单元之间的距离，实际尺寸也不会太小，所以我们采用改变变化趋势来实现小型化。
技术实现思路
本专利技术通过使用渐变结构设计EBG，达到拓宽阻带的效果，并提出了一种有效的减小EBG尺寸的方法。1.本专利技术的具体内容对于EBG的宽频带特性来说，我们期望阻带足够宽、抑制深度足够强。(1)设计了一种在微带线上蚀刻“I”字型单元的EBG结构，然后使用缺陷地结构拓宽EBG的阻带，具体结构如图3(a)所示。(2)设计了新的渐变方式，令周期性的结构单元从小到大变化来代替以往文献中提到的从小逐渐变大再减小的渐变方式。经过图6的对比可知，经过这种改变后的EBG体积从65*20mm2变为40*20mm2，改变后的体积只是原来的61.5％，大大实现了小型化。而且前后两种结构的性能相差不多，实现的阻带带宽近似相等。(3)设计了周期性的结构单元与缺陷地结构均按照相同的比例进行渐变的渐变模式，经过最后的参数优化确定渐变比例为1.2。(4)最终经过各项参数优化(基板厚度、微带线宽度、“I”字的宽度等)，最终确定如图3(a)所示的结构，参数为：d0＝2mm，w1＝3.5mm，d1＝2.7mm，w5＝2.34mm，L1＝6.8mm，a＝2.5mm，R1＝3.2mm。2.本专利技术的优点如下：(1)本专利技术提出通过设计不等距的渐变型EBG结构，产生不同的中心频率，这些中心频率相互叠加可拓宽阻带。(2)本专利技术提出改变以往的渐变方法，可以达到减小尺寸的目的。(3)本专利技术设计使用渐变型的缺陷地结构，通过与渐变型的表面结构结合从而拓宽阻带。(4)本专利技术的渐变型EBG的结构单元只需要3个以上就可以实现较宽的禁带效应。(5)本专利技术的渐变型EBG的阻带1.88—29.2GHz(带宽27.3GHz)，阻带比一般EBG宽很多。(6)本专利技术的渐变型EBG结构简单，易于加工，可以使用印制电路板制作。(7)本专利技术的渐变型EBG结构可用于天线的设计以及低通滤波器的设计。3.本专利技术的原理如下：(1)根据布拉格散射条件：λg是波导波长，f0是阻带的中心频率，c是光速。公式(1)中，带有缺陷地的介电常数εeff由以下公式得出：εr是基板介电常数，h是基板厚度，w是上表面微带线的宽度。综合公式(1)和公式(2)可以得出每个单元间的距离为：根据公式(3)可知，当εeff确定以后，中心频率f0与周期单元间距d1成反比例，不同的间距会产生不同的中心频率。本设计从这点入手，利用渐变型结构产生不同的中心频率，然后通过频率叠加拓宽阻带。(2)缺陷地结构(DGS)是在地面上开出不同的缺陷槽，这种结构可以提高介质的有效介电常数，并且影响表面电流分布，只用一个或者几个这样的结构就可以在某些频带内产生带隙。文中的缺陷地结构位于上表面传输线的下方，可以减少上表面传输线与地面的耦合，产生并联电容和有效的线性电感。缺陷的面积越大，有效串联电感越大，谐振频率越低，可以提高阻带抑制能力。(3)由原理1我们可以知道相同的间距产生的中心频率是相同的，所以理论上采用以往文献中的对称渐变方式中前半部分的渐变过程就可以实现与其基本相同的阻带特性。根据图3(b)中的结论也证明了这一点，而二者的不同可能是因为基板的大小对阻带产生的影响。附图说明图1(a)为初始设定的等距非渐变型的也没有使用缺陷地结构的普通EBG，它只用了3个基本单元。(b)为分别使用3个、5个、7个基本单元的不同的EBG仿真出来的S21参数图，因为不同的结构单元数越多对S11参数的影响并不大，所以结果图中并没有列出该参数。有效的阻带取S21参数位于-20dB的频率带，从图中可以看出，使用基本单元数越多的EBG，其阻带越趋于平稳，而且阻带越宽。图2(a)是使用7个基本单元的渐变型EBG，它的渐变过程与文献1中相类似，类似遵从切比雪夫渐变模式，整本文档来自技高网...

【技术保护点】
提出一种实现宽阻带EBG的实现方法。实现宽阻带即采用渐变的EBG结构，这种渐变不仅表现在每个结构单元的大小不同，而且每个结构单元相隔的间距也是不同的，将渐变型表面结构与渐变型缺陷地结构结合在一起，根据Bragg散射条件可知中心频率与单元结构之间的距离成反比，渐变型结构之间不等距可以产生不同的频率带，这些频率带互相叠加可以实现宽阻带。

【技术特征摘要】
1.提出一种实现宽阻带EBG的实现方法。实现宽阻带即采用渐变的EBG结构，这种渐变不仅表现在每个结构单元的大小不同，而且每个结构单元相隔的间距也是不同的，将渐变型表面结构与渐变型缺陷地结构结合在一起，根据Bragg散射条件可知中心频率与单元结构之间的距离成反比，渐变型结构之间不等距可以产生不同的频率带，这些频率带互相叠加可以实现宽阻带。2.提出一种实现小型化渐变型EBG的实现方...

【专利技术属性】
技术研发人员：田慧平，荣宏颖，王茜，曹亚杰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11