（光学工程专业论文）新型电磁光子晶体贴片天线的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 对新型电磁( 光子) 晶体贴片天线的研究是近年来兴起的一个新的研究领域， 该研究主要是利用电磁( 光子) 晶体结构所具有的独特性质抑制贴片天线内的表 面波，显著提高天线的阻抗、方向性和增益等性能。虽然国内外已经在基底钻孔 型、地面腐蚀型、高阻抗表面型、u c p b g 型、覆层型和软表面型电磁( 光子) 晶体贴片天线等方面开展了研究，但是在这些研究中还遗留着多方面的问题有待 解决，以显著改善天线的性能指标，减少天线的体积，重量，降低天线的加工费 用等。针对目前所存在的这些问题，本文主要做了以下几个方面的研究： ( 1 ) 全面地理论研究了基底钻孔型和地面腐蚀型电磁( 光子) 晶体贴片天 线。设计了一种基底钻周期圆孔结构的电磁( 光子) 晶体贴片天线，用f d t d 方法并结合p m l 吸收边界条件对该天线进行了研究，结果表明本文所设计的基 底钻孔型电磁晶体贴片天线取得了多方面的性能改善，与普通天线相比，基底中 的表面波受到很大抑制，天线的带宽增加，远场方向图上天线的旁瓣和背瓣被明 显削弱，向前辐射的增益由原来的1 2d b 增加到2 6d b ，增加了1 4d b ，比文献 上报道的g o n z a l o 等人的研究结果提高了4d b 。全面地研究了地面腐蚀周期圆孔 结构的电磁晶体贴片天线在基波频率处的性能，用f d t d 方法并结合p m l 边界 处理技术对该天线所取得的研究结果显示，本文设计的地面腐蚀型电磁晶体结构 抑制了贴片天线中的表面波，增加了天线的带宽，并有效地削弱了旁瓣，使天线 的e 面方向图上1 1 0 0 和2 6 0 。方向的两个旁瓣被削弱了1 0 d b 。 ( 2 ) 首次提出了一种新的介质内钻孔的电磁晶体覆层结构。与文献所报道 的矩形氧化铝棒结构相比，这种新的覆层结构由于采用了介质内钻空气孔的形式 更容易加工实现。该覆层结构还大大缩小了尺寸，其横截面尺寸只有1 4 5m l t l 1 4 5m m ，该尺寸比t h e v e n o t 等人设计的覆层减小了约2 3 ，比q i u 等人设计的 覆层减小了约6 7 。用f d t d 方法并结合p m l 吸收边界条件，我们对加了这种 新的覆层结构并且基底钻孔的复合结构电磁( 光子) 晶体贴片天线的性能进行了 研究，结果证明加了这种新的电磁晶体覆层结构以后，天线的波束收拢很多，并 且向前辐射的增益大大提高，与普通天线相比，天线的e 面和h 面方向图上向 前辐射的增益均提高了约6d b ，另外，该复合结构天线的方向性系数达到了1 1 5 浙江大学博士学位论文 d b ，与该物理尺寸天线的方向性系数的理论极限值( 1 1 9d b ) 相差o - 4d b ，该 差值比t h e v e n o t 等人设计的电磁晶体覆层天线的相应差值减少了约4 1d b ，比 q i u 等人设计的电磁晶体天线的相应差值减少了约1 5d b 。继理论研究之后，我 们还对加了这种新的覆层结构的复合结构电磁( 光子) 晶体天线进行了实验研究， 并取得了较好的实验结果。 ( 3 ) 首次研究了一种新的平面圆环结构的软表面型电磁( 光子) 晶体贴片 天线。该平面圆环结构软表面天线是在空气介质的皱褶圆环结构软表面天线的基 础上改进得到，为了便于比较，我们首先研究了空气介质的皱褶圆环结构软表面 天线，用f d t d 方法并结合p m l 吸收边界条件对该天线的性能进行了研究，结 果表明天线的带宽增加，天线的轴对称性得到了很大改善，e 面和h 面方向图 的波束几乎重合，天线的旁瓣和背瓣受到很大的抑制。对该皱褶圆环结构天线还 进行了实验研究并较好地验证了理论模拟的结果。为了克服皱褶软表面天线份量 重，加工费用贵等缺点，我们对空气介质的皱褶圆环结构软表面天线进行了改进， 将周期分布的皱褶圆环平面化，并保持结构的软表面特性，设计出了一种新的平 面圆环结构的软表面天线并进行了实验研究，加工的平面圆环结构天线比皱褶圆 环结构天线重量减轻了约1 4 ，加工费用大大降低，所取得的实验结果显示，该 平面圆环结构软表面天线的方向图的轴对称性得到了改善，在俯仰角从0 0 9 0 0 的范围内天线h 面的波束与e 面重合，与皱褶圆环结构相比，天线的旁瓣和背 瓣受到了更大的抑制，e 面方向图上+ 1 2 0 0 方向的旁瓣被明显削弱。 总之，本论文从理论和实验两方面深入地研究了高性能新型电磁( 光子) 晶体 贴片天线的有关重要课题，所取得的结果表明，我们研究的基于电磁( 光子) 晶体 的新型贴片天线与传统天线相比具有显著优越的性能，它不仅保持了贴片天线的 低剖面，易集成等特点，还使天线的辐射性能得到了很大提高，这种性能优越的 新型天线在移动通信，卫星通信，航空航天等许多领域具有潜在的应用价值。 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho f p a t c h a n t e l l 】a a sb a s e do n p h o t o t f i c - b a n d g a p ( p b g ) s t r u c t u r e s i sa r e l a t i v e l yn e w a r e a t h eg o a li st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep a t c ha n t e n n a sb y u s i n g t h es p e c i a lf e a t u r e so fp b g s t r u c t u r e s t h o u g hs o m eg o o d r e s e a r c hr e s u l t sh a v e b e e no b t a i n e db ys c i e n t i s t si nt h ew o r l d ，t h e r es t i l le x i ts o m ep r o b l e m st ob es o l v e d f o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a c e sa n dr e d u c i n gt h es i z e ，w e i g h ta n dc o s t t h ef o l l o w i n g r e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n ef o rt h e s ep r o b l e m si nt h i st h e s i s ： p a t c ha n t e n n a sw i t hp b gs u b s t r a t e sh a v eb e e ns t u d i e d t h o r o u g h l y ap a t c h a n t e n n aw i t ha i rh o l e si nt h es u b s v a t eh a sb e e nd e s i g n e d t h ef i n i t e d i f f e r e n c e t i m e - d o m a i n ( f d t d 、m e t h o dt o g e t h e r w i mt h e p e r f e c t l y m a t c h e d l a y e r ( p m l ) b o u n d a r yt r e a t m e n th a sb e e nu s e dt os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea n t e n n a i ti s s h o w nt h a tt h es u r f a c ew a v e sa r es i g n i f i c i e n t l ys u p p r e s s e d ，t h ef r e q u e n c yb a n d w i d t h i si m p r o v e d ，t h es i d e l o b el e v e l sa r er e d u c e da n d c o n s e q u e n t l yt h eg a i ni nt h ef o r w a r d d i r e c t i o ni si m p r o v e d b y1 4d b ( a b o u t 4d b h i g h e rt h a nt h ev a l u er e p o r t e dp r e v i o u s l y ) ap a t c ha n t e n n aw i t he t c h e dh o l e so nt h e g r o u n dp l a n e i sa l s os t u d i e d t h e p e r f o r m a n c eo f t h ea n t e n n aa tt h er e s o n a n tf r e q u e n c yi sa n a i y z e db y u s i n gt h ef d t d m e t h o dt o g e t h e rw i t ht h ep m l b o u n d a r yt r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c e w a v e sa r es u p p r e s s e dg r e a t l y , t h eb a n d w i d t hi si m p r o v e da n da10 d br e d u c t i o no nt h e s i d e l o b el e v e li sa c h i e v e da tt h e110 0a n d2 6 0 0d i r e c t i o n si nt h eed l a n e an e wp b gc o v e rf o r m e db yd i g g i n ga i rh o l e si nt h em a t e r i a li ss t u d i e d ，i ti s e a s i e rt ob ef a b r i c a t e d c o m p a r e d w i t ht h es t r u c t u r e r e p o r t e d b e f o r e t h e c r o s s - s e c t i o n a ls i z eo f t h ep b gc o v e ri sg r e a t l yr e d u c e da n di t sd i m e n s i o ni so n l y1 4 5 m m 1 4 5 n l n l ( w h i c h i sa b o u t2 3s m a l l e rt h a nt h ec o v e r d e s i g n e db yt h e v e n o te ta 1 ， a n d6 7s m a l l e rt h a nt h eo n ed e s i g n e db yq i ue ta 1 ) t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep b g a n t e n n au s i n gt h en e wp b gc o v e rt o g e t h e rw i t hap b gs u b s t r a t ei ss t u d i e db yt h e f d t dm e t h o dt o g e t h e rw i t ht h ep m l b o u n d a r yt r e a t m e n t t h en u m e r i c a lr e s u l t s s h o wt h a tam o r ef o c u s e db e a mr a d i a t e di nt h eb r o a d s i d ed i r e c t i o ni sa c h i e v e d t h e g a i no f t h ep b g p a t c ha n t e n n a i nt h ef o r w a r dd i r e c t i o ni si m p r o v e db ya b o u t6d b t h er a d i a t i o nd i r e c t i v i t yi s i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l ya n dr e a c h e s11 5d b ，w h i c hi s 3 浙江大学博士学位论文 0 4d bl e s st h a nt h em a x i m u mv a l u et h a ti sa l l o w e dp h y s i c a l l yf o rt h i ss i z eo ft h e a n t e n n a ( t h i sd i f f e r e n c e i sa b o u t4 td bl e s st h a nt h ed i f f e r e n c ea c h i e v e d b y t h e v e n o tc t a 1 ，a n d 1 5d bl e s st h a nt h eo n ea c h i e v e db yq i ue ta 1 ) g o o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e n o b t a i n e da n da g r e ew e l lw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s an e wp a t c ha n t e n n aw i t hp a t c hr i n g si ss t u d i e d ap a t c ha n t e n n aw i t ha c o r r u g a t e ds o f ts u r f a c eg r o u n dp l a n ei s s t u d i e df i r s t l yf o rc o m p a r i s o n t h ef d t d m e t h o d t o g e t h e rw i t h t h ep m l b o u n d a r yt r e a t m e n ti su s e d t oc a l c u l a t et h ei n p u tr e t u r n l o s sa n dt h er a d i a t i o np a t t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eb a n d w i d t hi s i m p r o v e d ，t h er a d i a t i o np a t t e r nb e c o m e s m o r e r o t a t i o n a u ys y m m e t r i ca n d t h es i d e l o b e l e v e l sa r eg r e a t l yr e d u c e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h et h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s t oo v e r c o m e t h ed r a w b a c k si nt h ew e i g h ta n dc o s to f t h ea n t e n n a 谢t l lt h e c o r r u g a t e ds o f ts u r f a c e ，an e wp a t c ha n t e l m a w i t h p a t c hr i n g si sd e s i g n e d i t sw e i g h ti s a b o u t1 4l e s st h a nt h ea n t e n n aw i t ht h ec o r r u g a t e ds o f ts u r f a c ea n di ti s i n e x p e n s i v e g o o de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eo b t m n e d t h er a d i a t i o np a t t e mo ft h ea n t e n n ai sm o r e r o t a t i o n a l l ys y m m e t r i c ，a n dam o r er e d u c t i o no nt h es i d e l o b el e v e l so ft h ea n t e n n ai s a c h i e v e da sc o m p a r e dt ot h ea n t e n n aw i t ht h ec o r r u g a t e ds o f ts u r f a c e i nc o n c l u s i o n ，i nt h ep r e s e n tt h e s i sb o t ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w o r k sh a v e b e e nc a r r i e do u t i n t e n s i v e l yo np a t c ha n t e n n a sb a s e do np h o t o n i c b a n d g a p s t r u c t u r e s i ti ss h o w nt h a to u rp h o t o n i cb a n d g a ps t r u c t u r e sc a ng r e a t l yi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h ep a t c ha n t e n n a s t h e s ep a t c ha n t e n n a sw i t hp h o t o n i cb a n d g a p s t r u c t u r e sa r em o r es u p e r i o rt h a nc o n v e n t i o n a l p a t c ha n t e n n a s ，a n dh a v ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nm a n ya r e a ss u c ha sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，s a t e l l i t ea n da i r c r a f t c o m m u n i c a t i o n s 4 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 本论文结合“电磁( 光子) 晶体天线的研究”这一浙江省自然科学基金重点 项目，从理论和实验两方面对新型电磁( 光子) 晶体贴片天线进行了研究。 1 1 引言 对新型电磁( 光子) 晶体贴片天线的研究是近年来兴起的一个新的研究领域。 天线作为实现无线电应用的关键技术，是随着通信、广播、雷达等无线电应用系 统在不同阶段的需要而不断发展的【1 。移动通信作为2 0 世纪9 0 年代通信行业最 活跃、增长最快、商业前景最好的领域，近几年得到了突飞猛进的发展，移动通 信的发展推动了天线技术的发展，民用移动通信的快速增长，特别是个人移动通 信终端的增加，迫切要求研制小型移动设备和小型辐射系统，也就要求天线向小 型化、易集成方向发展【2 】。目前应用于移动通信的小型天线主要有线天线、螺旋 天线、印刷微带天线等。线天线1 3 - 6 中最简单的就是单极子或偶极子天线，它们 通常的长度为2 2 ，当由于空间的需要，要缩小天线的尺寸时，这一类天线与馈 电网络的匹配就会变得困难，需要采用加载或弯曲的方法来改善匹配。比较之下， 螺旋天线 4 - 6 的馈电就比较简单，它可以直接在其一个末端用同轴线馈电，并且 这种螺旋结构的天线具有尺寸小、重量轻、成本低等优点，适用于低频、卫星通 信、地面链路等应用场合，但该类天线不易集成。作为小型化、集成化天线的主 角，微带贴片天线 7 - 1 0 l 以其三维结构的灵活性受到各种不同设计目标的全方位开 发。它既被单独用于手机天线，也被广泛用做各种阵列天线的单元。贴片天线具 有体积小，重量轻，低剖面，易共形，成本低，制作简单，与标准的单片微波集 成电路( m m i c ) 带i 造技术相兼容等许多优点，因此不仅可以被应用于移动通信， 还可以在卫星通信，航空航天等众多领域发挥它的作用。但是该类天线也存在一 些缺点，如由于表面波的损耗天线的辐射效率很低，并且频率带宽极窄等【4 ，”。 在微波毫米波单片集成系统中，为了进一步减小贴片的几何尺寸往往采用高介电 常数的基片，但同时带来的困难是如何抑制厚的基片中存在的表面波效应。微带 天线的高q 值的谐振本性决定了其带宽非常窄，为了展宽贴片天线的频带，目 前常用的方法有附加阻抗匹配网络，采用多层结构等，附加的匹配措施虽然可以 降低q 值展宽频带，但会使馈电网络变得复杂并且天线的损耗较高，多层结构 浙江大学博士学位论文 虽然可以展宽贴片天线的带宽，但同时会削弱其方向性等，并且带来大的表面波 效应l l , n 】。近年来出现了一种新的技术电磁( 光子) 晶体技术，基于该技术 不仅可以使微带贴片天线集成在高介电常数基片上，而且还可以增加天线的带 宽，提高辐射效率等。所谓电磁( 光子) 晶体( p h o t o n i cb a n d g a p ，简称p b g ) 1 2 , 1 3 是一神由介电材料或金属周期排列而成的结构，该结构的表面波波矢图在某 一频率范围呈现出频率禁带，工作频率处在禁带范围内的任意电磁波都不能在其 中传播。电磁( 光子) 晶体的这种特殊性质使得它可以被应用于许多领域。早期 的对光子晶体的应用研究主要集中在光频频率范围，光子晶体结构其实可以被应 用于更为广泛的频率范围，包括微波和毫米波波段【1 ”。如可以将其应用于天线 领域 1 5 - 1 7 】。将电磁( 光子) 晶体材料用于微带贴片天线1 8 4 0 1 ，利用电磁( 光子) 晶体独特的频率禁带性质，在微带贴片天线中加入各种电磁( 光子) 晶体结构， 可以多方面改善天线的性能，包括增加天线的带宽，有效地抑制贴片天线基片中 的表面波，提高天线的方向性和增益，削弱天线的旁瓣和背瓣等。因此，对各种 新型电磁( 光子) 晶体贴片天线的研究成为近年来国内外的一个研究热点，本文 开展这方面的研究具有十分重要的意义。 1 2 国内外的研究状况 目前国内外已经开展了各种新型电磁( 光子) 晶体贴片天线的研究，包括基 底钻孔型、地面腐蚀型、高阻抗表面型、u c p b g 型、覆层型和软表面型。基底 钻孔型电磁( 光子) 晶体贴片天线摊49 】具有禁带设计容易，性能改善明显等优点， 它采用的电磁晶体结构是在贴片天线的基底中钻一些周期分布的孔，这种基底钻 孔结构可以通过合理设计周期栅格的大小和孔的尺寸比较方便地获得较宽的禁 带，贴片天线中加入该结构以后基底的表面波会受到很大抑制，从而大大提高向 前辐射的增益等。g o n z a l o 等人曾经在文献【1 8 l 中研究了基底钻孔型电磁晶体贴片 天线，他们在普通贴片天线的基底中钻一些矩形周期栅格的空气圆孔结构，结果 表明该结构增加了天线的带宽，有效地抑制了表面波，削弱了天线的旁瓣和背瓣， 并使天线向前辐射的增益提高了1 0d b 。但是这一类电磁晶体贴片天线也有缺 点，由于采用了基底钻孔的电磁晶体结构，天线的基底往往比较厚，因而带来较 大的表面波效应，影响天线性能的提高，所以需要合理选择基底的厚度。地面腐 浙江大学博士学位论文 蚀型电磁( 光子) 晶体贴片天线 2 0 - 2 2 1 的主要优点是有效抑制天线的寄生辐射，并 明显削弱天线的旁瓣，可以用于削弱系统阵列元件之间的互耦。h o r i i 【2 ”2 】等人 曾经设计了地面腐蚀周期圆孔结构的电磁( 光子) 晶体贴片天线，并研究了地面 腐蚀结构对天线寄生辐射的抑制情况，结果证明天线的谐振频率的二次以及三次 谐波受到了很大的抑制。这类天线的主要缺点是，由于采用的是金属地面腐蚀小 孔的结构，有一部分电磁波通过小孔从地面向后辐射出去，使天线向后辐射的增 益增加。与前面两种天线相比，高阻抗表面型电磁( 光子) 晶体贴片天线1 2 3 - 2 4 】 采用的是一种更为紧凑和有效的结构，是在介质的上表面围绕辐射贴片的周围腐 蚀出一层金属小贴片，由于这层金属小贴片与天线的辐射贴片共面，因此结构非 常紧凑，可以采用印刷电路的形式进行加工。这种高阻抗表面型电磁晶体结构可 以显著提高天线的增益和辐射效率等性能，因而是很有效的。但高阻抗表面结构 的禁带对金属小贴片之间的间隔等都非常敏感，不容易设计，并且每个小贴片上 还需要钻孔并由金属导线将它与地相连，结构比较复杂。更进一步地，u c p b g ( u n i p l a n a r c o m p a c t p h o t o n i c b a n d a p ) 型电磁( 光子) 晶体贴片天线t 2 5 2 6 1 是一种 制作更简单，成本更低，并且可以用标准的单片微波集成电路制造技术( m m i c ) 实现的电磁( 光子) 晶体贴片天线，它采用的电磁晶体结构是在辐射贴片的周围 腐蚀出呈二维周期性分布的图案，该图案的每一个周期单元由正方形小贴片和中 间插入的金属细线组成，相邻单元之间的间隙提供了耦合电容，而细窄的分支线 则提供了电感，因此，该光子晶体结构形成了一个分布式l c 网络。这种u c p b g 天线的主要缺点是禁带与周期单元之间的间隙，金属线的宽度等许多因素有关， 不容易获得宽的禁带。覆层型电磁( 光子) 晶体贴片天线口7 之9 1 是在距离贴片天线 的上表面一定高度处加入一个电磁( 光子) 晶体覆层结构。电磁晶体覆层结构的 最大优点是可以大大提高天线的方向性和增益，是提高天线方向性的极为有效的 一种电磁晶体结构。t h e v e n o t 等人曾经在文献【2 7 】中采用了两层矩形端面的氧化 铝棒覆层结构，他们的研究结果表明，加了该覆层结构以后贴片天线的方向性系 数达到了1 9 5d b ，与他们所设计的天线的方向性系数的理论最大值( 2 4d b ) 差 了4 5d b 。q i u 等人【2 9 】曾经研究了既有电磁晶体基底又有电磁晶体覆层的复合结 构的电磁晶体贴片天线，其中基底采用的是钻孔结构，覆层结构与文献中相 类似，也为矩形氧化铝棒条结构，他们的研究结果证明，加了该覆层结构且基底 浙江大学博士学位论文 钻孔的复合结构电磁晶体天线的方向性系数达到了1 7 1d b ，与该物理尺寸天线 的理论最大方向性系数( 1 9d b ) 相差了1 9d b 。覆层型电磁晶体贴片天线也存 在一些缺点，由于覆层结构是加在天线的上方，而前面的几种电磁晶体结构都是 加在天线的基底中或地面上等，与天线是一体的，因此相比较而言覆层型电磁晶 体结构加工实现更困难，另外，从文献 2 7 - 2 9 1 所报道的结果来看，覆层结构的尺寸 往往较大。t h e v e n o t 等人口8 j 所设计的覆层结构的横截面尺寸为2 5 8m i n x 2 5 8 m m ，q i u 等人【2 9 】设计的覆层结构的横截面尺寸则达到了3 9 6m m x 3 9 6n l r o 。软 表面型电磁( 光子) 晶体贴片天线是根据软表面原理，在贴片天线的周围加入横 向起皱褶的金属电磁波表面，使沿该表面传播的任意极化的电场为零，因而改善 天线辐射方向图的轴对称性，削弱旁瓣和背瓣等。该类天线的主要优点是结构简 单，只要保证皱褶的深度为波长的1 4 即可实现软表面，而对皱褶的厚度，间距 等并没有非常严格的要求。在性能方面，软表面结构可以大大地改善天线方向图 的轴对称性，并使旁瓣和背瓣受到明显抑制。z k i n g 等人曾经在文献1 3 0 1 中研究 了基于皱褶圆环软地表面的贴片天线的性能，结果显示地面为金属皱褶圆环结构 的贴片天线，其方向图具有很好的轴对称性，并且旁瓣和背瓣电平很低。由于采 用了金属皱褶结构，这类天线的主要缺点是份量重，并且加工费用昂贵。 1 3 研究思路 由以上可见，虽然国内外已经对各种类型的电磁( 光子) 晶体贴片天线进行 了研究，但是在这些研究中还存在着多方面的问题有待解决，以显著提高天线的 性能，减少天线的体积，重量，降低天线的加工费用等。针对目前所存在的这些 问题，本文主要开展了以下几个方面的研究：第一个方面是对基底钻孑l 型和地面 腐蚀型电磁( 光子) 晶体贴片天线的全面的理论研究。g o n z a l o 等人的研究结果 表明基底钻孑l 型电磁( 光子) 晶体结构对于抑制天线基底中的表面波，提高天线 的辐射性能是非常有效的，但同时我们注意到g o n z a l o 等人研究的天线的基底偏 厚，厚度为1 0 m m ，考虑到基底越厚，其中的表面波效应会越大，为了获得更显 著的性能改善，我们将天线的基底厚度降低了2m m ，对基底厚度为8 m m 且基 底中钻空气圆孔结构的电磁晶体贴片天线进行了全面的理论研究。h o r i i 等人曾 经对地面腐蚀周期圆孔结构的电磁( 光子) 晶体贴片天线进行了研究，结果证明 4 浙江大学博士学位论文 天线的寄生辐射受到了很大的抑制。注意到h o r i i 等人在文献 2 l 】中主要是研究了 天线在谐振频率的二次以及三次谐波处的性能，而对天线在基波频率处的性能并 没有作详细研究，由于天线实际工作的频率是在基波频率处，研究电磁晶体天线 在该频率处的性能仍然是很有必要的，因此本文还全面地研究了地面腐蚀型电磁 晶体贴片天线在基波频率处的性能。第二个方面是提出了一种新的介质内钻孔的 电磁晶体覆层结构，并研究了该覆层结构对天线性能的改善情况。文献【2 7 和文 献1 2 9 】的结果显示矩形氧化铝棒覆层结构大大地提高了天线的方向性，但由于这 种结构是由一根根独立的氧化铝棒周期性排列所构成，因此加工、装配等都比较 困难，另外文献【2 7 - 2 9 1 中设计的氧化铝棒覆层结构尺寸都比较大，使得天线的基底 尺寸相应地变大。考虑到如果将电磁晶体覆层结构嵌入介质，而不是悬在空气 ( s ，= 1 ) 中，加工实现就会变得容易，因此我们提出了一种新的介质内钻孔的 电磁晶体覆层结构，为了减少体积，我们选择了尽可能少的周期单元个数，为5 5 个圆孔。第三个方面是对一种新的平面圆环结构的软表面型电磁( 光子) 晶 体贴片天线的研究。考虑到金属皱褶圆环结构是由一圈圈有一定厚度的金属圆环 壁所组成，份量较重，如果将这些圆环平面化，即印刷在薄的线路板上，同时为 了保持结构的软表面特性，用金属铜丝将平面圆环与金属地相连，并保证从圆环 的内边缘通过圆环和金属铜丝到金属地面的距离刚好为1 4x ，令金属铜丝之间 的间隔小于1 1 0 x ( 为了保证电流的连续性) ，这样，就用印刷在p c b 板上的平 面圆环和间隔较密的一圈圈的金属丝取代了原来的金属皱褶圆环壁，因此大大减 轻了结构的重量，并且由于d i t 方式由原来的金属精加工转为印刷电路的形式， 使加工的费用大大降低。 1 4 结构安排及本论文的主要工作 本论文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章为绪论。论述了本论文的研究意义和国内外在新型电磁( 光子) 晶体 贴片天线方面的研究状况，介绍了本论文的研究思路，并说明了论文的结构安排和 所做的主要工作。 第二章为电磁( 光子) 晶体贴片天线。对电磁( 光子) 晶体的概念及性质， 电磁( 光子) 晶体的应用及研究方法等基本问题进行了研究，并在此基础上，着 浙江大学博士学位论文 重研究了基底钻孔型、地面腐蚀型、高阻抗表面型、u c 。p b g 型、覆层型和软表 面型电磁( 光子) 晶体贴片天线，分析了各种电磁( 光子) 晶体贴片天线所采用 的电磁( 光子) 晶体结构，在给出其几何结构的同时，简要分析了各种电磁晶体 结构的禁带和作用机理，并结台文献上的研究，分析了各种电磁晶体贴片天线的 性能改善情况。 第三章为时域有限差分法。经过比较与选择，时域有限差分法( f d t d ) 被 用来作为本论文研究新型电磁( 光子) 晶体贴片天线的方法。首先分析了时域有 限差分法的基本原理，包括y e e 氏网格及f d t d 基本方程，数值稳定性，p m l 吸收边界条件等；然后对用f d t d 方法进行数值计算所涉及的激励源和天线的 馈电，近一远场转换，天线参数的计算公式等问题进行了研究：最后给出了用 f d t d 法模拟一个微带贴片天线的实例。 第四章为基底钻孔型和地面腐蚀型电磁( 光子) 晶体贴片天线的研究。对基 底中钻周期圆孔结构且基底厚度为8 m m 的电磁( 光子) 晶体贴片天线进行了研 究，用f d t d 方法并结合p m l 吸收边界条件研究了该天线的性能，证明天线的 带宽增加，天线的旁瓣和背瓣被大大削弱，并导致向前辐射的增益比文献上有更 显著的提高。全面地研究了地面腐蚀周期圆孔结构的电磁晶体贴片天线在基波频 率处的性能，用f d t d 方法并结合p m l 边界处理技术分析了该天线的输入回波 损耗，表面波，辐射方向图等，结果表明地面腐蚀型电磁晶体结构对天线的旁瓣 有明显的抑制，可用于削弱阵列元件之间的互耦。 第五章为复合型电磁( 光子) 晶体贴片天线的研究。设计了一种新的介质内 钻孔的电磁晶体覆层结构，与文献所报道的覆层结构相比该结构更容易加工实现 并且还大大地缩小了尺寸。用f d t d 方法并结合p m l 吸收边界条件对加了这种 新的电磁晶体覆层结构并且基底钻孔的复合结构电磁( 光子) 晶体贴片天线的性 能进行了研究，结果表明加了新的覆层结构以后天线的波束收拢很多，向前辐射 的增益大大提高，并且天线的方向性系数比文献上的更接近理论极限值。继理论 研究之后，我们还对该复合型电磁( 光子) 晶体贴片天线进行了实验研究，并取 得了较好的实验结果。 第六章为软表面型电磁( 光子) 晶体贴片天线的研究。对一种新的平面圆环 结构的软表面型电磁( 光子) 晶体贴片天线进行了研究，该平面圆环结构是在空 浙江大学博士学位论文 气介质的皱褶圆环结构基础上改进得到，用f d t d 方法并结合p m l 吸收边界条 件，首先研究了空气介质的皱褶圆环结构软表面天线的性能，取得了带宽、辐射 方向图的轴对称性和增益等多方面的性能改善。对该皱褶圆环结构软表面天线还 进行了实验研究并较好地验证了理论模拟的结果。为了克服皱褶软表面结构份量 重，加工费用贵等缺点，我们将其作了改进，将周期分布的皱褶圆环平面化，用 金属铜丝取代原来的厚金属圆环壁，因而减轻了结构的重量，并且由于采用了印 刷电路的加工方式，使加工费用大大降低。实验研究的结果显示，该平面圆环结 构软表面天线的方向图的轴对称性得到了改善，天线的旁瓣和背瓣比皱褶圆环结 构受到了更大的抑制。 结束语部分论述了本论文所做的主要研究工作并说明了将来继续开展研究的 两个思路。 本论文的主要工作有： ( 1 ) 对基底钻孔型和地面腐蚀型电磁( 光子) 晶体贴片天线进行了全面的 理论研究。用f d t d 方法并结合p m l 吸收边界条件对一种基底钻周期圆孔结构 的电磁( 光子) 晶体贴片天线进行了研究，所取得的结果证明，该基底钻孔型电 磁( 光子) 晶体贴片天线的性能得到了多方面的改善，天线的带宽增加，天线基 底中的表面波受到很大抑制，远场方向图上天线的旁瓣和背瓣被明显削弱，其中 向前辐射的增益由原来的1 2d b 增加到2 6d b ，增加了1 4d b ，比文献上报道的 g o g o 等人的结果提高了约4d b 。用f d t d 方法并结合p m l 边界处理技术， 对地面腐蚀周期圆孔结构的电磁晶体贴片天线在基波频率处的性能进行了全面 的研究。结果显示本文设计的地面腐蚀型电磁晶体结构使贴片天线中的表面波受 到很大抑制，天线的带宽增加，天线的旁瓣被削弱，天线的e 面方向图上1 1 0 0 和2 6 0 0 方向的两个旁瓣被削弱了1 0 d b 。 ( 2 ) 首次提出了一种新的电磁晶体覆层结构，该结构由于采用了介质内钻 空气孔的形式，因此与文献所报道的矩形氧化铝棒结构相比更容易加工实现。该 覆层结构还大大缩小了尺寸，其横截面尺寸只有1 4 5r n m 1 4 5m l t l ，比t h e v e n o t 等人设计的覆层的相应尺寸减d , t 约2 3 ，比q i u 等人设计的覆层的相应尺寸减 小了约6 7 。采用f d t d 方法并结合p m l 吸收边界条件，对加了这种新的覆层 浙江大学博士学位论文 结构并且基底钻孔的复合结构电磁( 光子) 晶体贴片天线的性能进行了研究，结 果表明，我们设计的电磁晶体覆层大大提高了天线的性能，使天线的波束更为收 拢，使天线的e 面和h 面方向图上向前辐射的增益均提高了约6d b ，并且加了 新的电磁晶体覆层结构以后，复合结构天线的方向性系数达到了1 1 5d b ，与该 物理尺寸天线的方向性系数的理论极限值( 1 1 9d b ) 相差o 4d b ，比t h e v e n o t 等人设计的覆层结构天线的方向性系数与理论极限的差值减少了约4 1d b ，比 q i u 等人设计的覆层天线的相应差值减少了约1 5d b 。对加了这种新的覆层结构 的复合型电磁( 光子) 晶体贴片天线的实验研究取得了较好的结果，并与理论模 拟的结果一致。 ( 3 ) 首次研究了一种新的平面圆环结构的软表面型电磁( 光子) 晶体贴片 天线。该平面圆环结构软表面天线是在空气介质的皱褶圆环结构软表面天线的基 础上改进得到，为了将两种天线的性能进行比较，我们首先用f d t d 方法并结 合p m l 吸收边界条件研究了空气介质的皱褶圆环结构软表面天线的性能，结果 表明天线的带宽增加，天线的轴对称性得到了很大改善，e 面和h 面方向图的 波束几乎重合，天线的旁瓣和背瓣受到很大的抑制。对该皱褶圆环结构软表面天 线还进行了实验研究，并较好地验证了理论模拟的结果。为了克服皱褶软表面天 线份量重，加工费用贵等缺点，我们对空气介质的皱褶圆环结构软表面天线作了 改进，将周期分布的皱褶圆环印刷在薄的线路板上，并保持结构的软表面特性， 从而设计出一种新的平面圆环结构软表面天线。实验加工的平面圆环结构天线比 皱褶圆环结构天线重量减轻了约l 4 ，并且3 n m 费用大大降低，实验结果证明， 该平面圆环软表面结构使天线的方向图的轴对称性得到了改善，在俯仰角从o o 一9 0 0 的范围内天线h 面的波束与e 面重合，天线的旁瓣和背瓣比皱褶圆环结构 受到了更大的抑制，e 面方向图上+ 1 2 0 0 方向的旁瓣被明显削弱。 本论文所开展的高性能新型电磁( 光子) 晶体贴片天线的理论和实验研究表 明，基于电磁( 光子) 晶体的新型贴片天线与传统天线相比具有显著优越的性能， 它不仅保持了贴片天线的低剖面，易集成等特点，还使天线的辐射性能得到了很 大提高，这种性能优越的新型天线可以在移动通信，卫星通信，航空航天等许多 领域获得应用。 浙江大学博士学位论文 第二章电磁( 光子) 晶体贴片天线 本章主要对各种类型的电磁( 光子) 晶体贴片天线进行了研究。由于电磁 ( 光子) 晶体贴片天线是基于电磁( 光子) 晶体技术，因此首先研究了电磁( 光 子) 晶体技术所涉及的一些基本问题，包括电磁( 光子) 晶体的概念，电磁( 光 子) 晶体的性质，电磁( 光子) 晶体的应用以及研究方法等，然后着重研究了 各种类型的电磁( 光子) 晶体贴片天线，包括基底钻孔型、地面腐蚀型、高阻 抗表面型、u c p b g 型、覆层型和软表面型，分析了每一种类型的电磁( 光子) 晶体贴片天线所采用的电磁( 光子) 晶体结构，以及它们在贴片天线中的作用 机理，有的还给出了禁带图，并结合文献研究了各种电磁( 光子) 晶体结构对 贴片天线的性能改善情况。 2 1 电磁( 光子) 晶体的概念及性质 对新材料的探索带动着科学技术的不断进步。在上个世纪，对半导体材料的 研制使得半导体物理的进展达到了能够控制材料中的电子运动行为，从而诞生了 高速发展的电子工业和信息产业。在过去的十年中，为了能够控制材料中光的传 播，科学家转向了材料光学性质的探索。1 9 8 7 年，y a b l o n o v i t c h 1 2 1 和j o h n ”1 分别 在讨论周期性电介质结构对材料中光传播行为的影响时，各自独立地提出了“光 予晶体”这一新概念，由此开辟了一个崭新的光子晶体及其应用的研究领域。电 磁( 光子) 晶体，简称光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) ，是一种介电系数呈周期性变 ( a ) 一维光晶体 ( b ) = 维惩子品薄 ( c ) 三维光f 晶体 图2l 光子晶体空间结构示意图( a ) 一维光子晶体 ( b ) - - 维光子晶体( c ) z 维光子晶体 9 浙江大学博士学位论文 化的人工晶体，它是由介电材料周期排列而构成的。我们知道，在半导体材料中 由于周期势场的作用，电子会形成能带结构，带与带之间有能隙( 如价带与导带) 。 光子的情况其实也非常相似。如果将具有不同介电常数的介质材料在空间按一定 的周期排列，如图2 1 所示，由于存在着周期性，在其中传播的光波的色散曲线 将成带状结构，带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁 带”( p h o t o n i cb a n d g a p ) 。“光子禁带”