内置式双频手机贴片天线及双频光子带隙结构的研制.doc

中国科学院上海微系统与信息技术研究博士后学位论文内置式双频手机贴片天线及双频光子带隙结构姓名：李鸿儒申请学位级别：博士后专业：微电子学与固体电子学指导教师：孙晓玮20031001 探讨性的研究了具有双模特性的通信波段的光子带隙衬底材料； 琹猘 獁県 第一章第一条通信电缆”。自此，人类远距离通信的愿望开始逐渐进入人们的日常生活。的比例增长“。到目前为止，大约超过世界总人口人拥有移动电话。有人对近 篓无线通信发展的天线的研发已经成为国际各大天线公司绨驳侣场研发无线通信中的天线产品具有低成本高附加值的特点。在国内，无线通信中国外进口的天线 近几年，国际上针对提高微带贴片天线的频带宽度提出了很多新的设计方法。文献提出通过在具有高介电常数的介质板上开一个矩形空气穴的方法，利用贴片 隙耦合微带天线都能获得较大的带宽。这两种天线都是通过微带贴片提出用附加屑钉电阻畆宽带微带贴片天线。微带贴片天线的频带宽度随着谐振频率的降低将相应的降低，例如我们日常使用的移动电话，频率在以内，这样低的频段，要到达一定的频带宽度。天线的尺寸必将不适合移动电话小型化的发展趋势，将限制微带贴片天线在移动电话系统中的应用。研究发现，通过附加屑钉电阻畆的方法可以设计出低频率段的小型大带宽天线的目的光子晶体天线的研究起源于光波领域，这种结构是年由 内置式双频手机贴片天线及双额光了带隙结构的研制子短波长、尤其是：【作于可见光波段的短波长钻石结构光子晶体的实用方法。图第一个具有完全光子带隙特性的光子晶体 近年米所提出的这些新方案中还有一种一艺上很简单的可饔诙滩的胶体紧密而甶有过火的体积，从而使得禁带宽度很窄小。因此。短波艮光子晶体的制造目前对人们来说仍然是一个挑战。鈘晶休村厩 内置式双频下机贴鹣呒八倒饬带隙结构的研制体反射同空间，从而人大提高了天线的发射效率。明：与传统的微带天线相比，基丁光子带隙利底上的微带贴片天线，不仅可以提高 内置式双频手机贴籎天线及双频光子带隙结构的研制第一次提出的。多年来，法经历了一个蓬勃发展的过程。最初是用它来 效的应用，而且在天线“”、微波技术、光电子学等的应用中愈益受到重视。时域有限差分法作为一种有效的时域全波数值计算方法，之所以受到科研人员的广泛关注是因为这种计算方法具有非常突出的特点，也是它的优点：广泛适用性，对复杂结构有很强的模拟功能，不须对结构作任何简化或近似，可以非常精确的模拟微带天线的实际结构；直接时域计算，只需一次计算时域的计算，即可获得一个频域上天线的电参数缡淙胱杩梗较蛲嫉以及宽频带特性；另外，由于微带天线的几何结构尺寸一般不会比工作频带上的最短波长大很多，因此不会出现计算量过犬的问题。这些优势是时域有限差分法得以在微带天线和微波电路的分析中得到广泛应用。由于微带结构的频域信息对吸收边界条件的残留反射引起的误差特别敏感，因此减少吸收边界条件的反射是提高计算精度的关键之一。年提出的理想匹配层差分法约按渚卣蠓韬蚇阶 法。这是引自电子能带理论的紧束缚近似中的一种方法，是由发展来的。基本思想是：我 为了适应移动通信天线小型化、集成化的发展趋势，结合微带贴片天线的研制理论以及近几年出现的新型宽带小型微带贴片天线的制备技术和双模天线的自二十世纪八十年代，光子晶体概念在光学领域出现以来，由于其独特的带隙特性，一直受到人们的普遍关注。年起，相关研究论文发表量每年增长利用平面波展开法从理论上分析了光子晶体的电磁特性，给出了计算一叶 眦 堕重茎翌塑王垫墅笠垂垡壁翌墅堂王堂堕丝塑堕婴型，微带天线理论与应用【俊挛鳎何靼驳缱涌萍蓟鹧霭嫔纾谭克俊，邰佑诚。“小矩形微带贴片天线的理论分析”。大连海事大学学琈瓸，“盓琇甐，“，甇，瓾，甂甃 ，”，“，”瓼癝猻琋 ”，甃，琋琋癆，” 癆，琍，”珹，甃，：，甋，甋，“！癙甌甃， 盡瓼琀猙，”甊， 猘：，巧疭 ，”琑癟：”【縈 ，唬瓵盝 甈甊 第二章徽带贴片天线的制备理论天线才翩造出来。历最早的实琢的徽带天线是蚆在二十世纪七十微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。开路微带辐射对于微带谐振器品质冈数的影响。这个分析是以微带开路端和地板所构成的口径场为基础的。按此分析，辐射场对于总品质冈数的影响可以描述为谐振器尺寸、工作频率、相对介电常数以及基片厚度的函数。理论和试验结果表明，在高频时。辐射损耗远大予导体和介质损耗。还证明，在用厚的而介电常数低的基片时，开路微带线的辐射更强。 第二章微带贴片天线的钼各理论矩形微带贴片天线的辐射场考虑二维矩形电流片和坐标系如图所示。远区磁矢量位可以表示为瑃 图矩形微带贴片天线辐射场 第二章微带贴片天线的制各理论激励方法徽带贴片天线 个电流在地板上被环状磁流带圈起来”，同轴线在地板上的开则用电壁闭合。如。一旦这个参数确定了，它就可以用在除馈电点在贴片边缘上以外的任何馈电位微带贴片天线的优缺点极化方式容易实现呒蛭骷：比较容易制成双频率的天线： 第二章微带贴片天线的制各理论不需要背腔；宽带微带贴片天线当在谐振时实现了匹配；而当频率偏离谐振时，电抗分量急剧变动使之失配。故展一、具有空穴结构的宽带微带贴片天线采用低占的质板是展宽频带常用的方法但是这种方法展宽带宽是以降低天 四、附加屑钉电阻畆宽带微带贴片天线微带贴片天线的频带宽度随着谐振频率的降低将相应的降低，例如我们日常使率段的小型大带宽天线的目的。具体做法是：通过用探针或插入的微带线馈电，在贴片与接地板之间附加了一个屑钉电阻做为短路元件。文献脚中，设计的微带天 第二章微带贴片天线的制备理论，瓵，“琕琍 琕，” ，“ 第三章内置式双频手机贴片天线的研制中介绍了他们设计的天线。该天线是以空气介质为衬底一种双频贴片天线，适用频米，宽为毫米。针对目前手机天线尺寸小型化的趋势来看，显然这种天线无法满 双频微带贴片天线的制备理论 第三章内置式双频手机贴片天线的研制人提出针对上述结构提出了一种政进的方法”：用带状线馈电，在地板的下方介质天线的方向图也没有太大的恶化，这种结构比较适合于移动通信和卫星通信。 我们设计的内置式手机天线就是利用的设计思想设计出的一种新型的微带贴片天线。测试和实地通话显示，该天线可以达到同类产品的使用要求。已经成功的通过了上海市高新技术转化项目认证。内置式双频手机贴片天线 第三章内置式双频手机贴片天线的研制制作采用冲压技术，制作简单，成本较低。天线平面结构示意图如图，贴片金属图双模手机天线结构示意圈图是我们根据仿真结果，经过多次测试、修改加工出的天线示意图，图中 内置式双频手机贴片天线及双频光子带隙结构的研制具有双频辐射的功能；加工工艺简单，成本低，适用于大批量生产。图天线的仿真图内置式双频手机贴片天线的测试结果 第三章内置式双频手机贴片天线的研制利用测量范围的噶客绶治鲆嵌愿锰煜叩腟参 内置式双频手机贴片天线及双频光子带隙结构的研制图，“蟜子手机原装天线频点处的方向闰嚣嚣：浩飨“鸵静挚 第三章内置式双频手机贴片天线的研制黑勰徽榍耍海。！。墓麓唬。、 ，一为了验证新型天线的性能，我们利用装有本天线的西门子公司设计的型号为 盓，琋甀“ 第三章内置式双频手机贴片天线的研制甒瓹癗盡，。，”甋盡瓼；瓼籜” 。， 第四章双颁光子晶体研制，而将具有“光子频率禁带”的材料称作为光子晶体，也有人把它叫做电磁晶体 内置式双频手机贴片天线及双频光于带隙结构的研制奇点等。由于周期性，对光子也可以定义有效质量。不过需到光子晶体的出现才改变了这种观点。自发辐射几率由费米黄金定则给出炔腊 外，光子晶体的令一个重要性质是“光子局域” 内置式双频手机贴片天线及双频光子带隙结构的研制图面心立体结构晶体的关键是选用怎样的面心立方结构和填充比才能得到光子带隙。的研究有光子带隙。这是一种背景为电介质材料，相互重叠的空气孔在其中排列成面心立方结构的点阵结构，空气孔占的体积。由于当时人们无法从理论上定量的分析、设计光子晶体，即无法定量分析应如何得到得到某一确定禁带范围的光子晶体，因此只能先用介电质材料构成周期结构，然后测量电磁波的透射率，看是否存在光子带隙。图发现的第一个具有完全带隙特性的光子晶体 第四章职频光子晶体研制法得到。在光学波段可以用离子刻蚀的办法，不过非常困难。层状结构的三维光子晶体 内置式双频手机贴片天线及双频光子带隙结构的研制其中实线和虚线分别代表光波的电场分量垂直和平行于棒的方向，点为实验测量值。 各个常数可表禁带结构玣，且带宽为中心频率的左右。由于金属区域是相互分隔的，并且 构即使在毫无周期的情况下也能产生光子带隙。这种方法使光子晶体的制作更为简目前常用的光子晶体分析方法主要包括：平面波展开法、时域有限差分法砺邸叮。解的形式为：虮扩巩 炼一昙五掣扩污法，给出数学通式。引用式的磁场函数展开式：其中，琫，为任意不共面的坐标单位向量 等式左右同时点乘毛，毛为其中任意分量，则有：利用恒等式畃省羓霖俊猎，可以得到下面恒等式：萋，互毛】瞄谅丁譬如，。 譬日黜啤耄甤。：出删：嬖石其中，7匠套榈南凳卣螅：；，巩铡铡弧唬骸畆，等为特 环忙一瑚荒丁曲叫屑剐肷，这时磁场函数可以展开为把式胧，得到，勘同样，给定不同豹值，我们可以得到无限个方程，用矩阵形式表示为：场特性的方程式为：日怀髅鎖哥阿瓦丽习 光子晶体的应用种圃臃肿拥淖苑湟约鞍氲继宀牧现械缱右豢昭缘母春稀】对于频率位于光子带隙范围内的光波，光子晶体的表面是一个理想的反射镜瑶， 用它做小型微波的基底材料，原来进入基底而损耗的能量将全部被光子晶体反射回空间，从而大大提高天线的发射效率。研究发现，对于做在基底上的小型偶极平面 根据光子晶体的设计思路，晶体的晶格周期与中心频率点五所决定的波导波长晶格周期和晶格尺寸可以根据需要中心频率及实际需求修改。轎衙啦鷋，畉鼬印岫 口口口口口、，分形光子晶体仿真结果 之一，如