PBG结构已被探索作为一种降低谐波的方法。
文森特Rodríguez-Pereyra,博士,ETS-Lindgren
光子结构的概念最近被应用于微波频率(MW)范围的研究[1,2]。光子带隙(PBG)结构类似于晶体晶格。众所周知,在天然晶体中存在某些不存在或“不可能”的能级。在这些特定的能级下,电子根本不可能存在。从这些电子带隙中得到的观测结果可以外推到电磁领域。在光子晶体中,有一定的能级,就像在自然晶体中一样,某些光子能量不能存在。光子能量通过普兰克常数E = hf与频率相关。
这个方程表明,由于光子晶体中的光子的某些能级是不可能的,那么与这些能级相关的频率就不能在光子晶体内传播。
这些光子晶体究竟是如何形成的呢?天然晶体的类似结构具有指导意义。在天然晶体中,离子位于几何晶格的侧面或顶点。Yablonovitch[3]尝试定位由泡沫支撑的介电球,但他的“介电晶体”未能表现出PBG特征(图1a)。采用相反的方法,在介电块上开孔(图1b)。这种几何形状的“瑞士奶酪”确实表现出PBG特性。
Maradudin和McGurn在[4]中引入了一个更简单的PBG结构。Maradudin的PBG是一个二维的Bravais晶格。介质棒是在不同的介质背景下引入的。该结构被放置在两块导电板之间(图2)。该结构禁止某些频段的传播。
应用于mw和rf
如上所述,这些结构已用于光学领域如。就像激光中的镜子。直到最近,这些概念才被应用到较低的频谱频率。过滤是最早的应用之一。由于它们阻挡了某些波段,这些结构可以用来阻挡不需要的频率。在某些情况下, [1,2,5]借用了二维Bravais类型格的思想。Rasidic等人通过沿着微带线在电介质衬底上钻孔来构造他们的晶格(图3)。二维晶格工作良好,因为我们知道电磁(EM)能量传播的方向。在Rasidic等人的[1]中,PBG结构被放置在放大器的输出上,以过滤不需要的噪声和谐波。在Rasidic等人,[2]介绍了另一种沿微带线创建PBG结构的方法。图4显示,在这种情况下,孔被蚀刻在结构的地平面上。图4[6]中的数值分析证实了[2]报告的测量结果。
在拉姆齐等人,[5]三种不同的PBG结构排列在一起,以创建宽带滤波器;图5显示了这些结构。
用于emc
PBG结构在电磁兼容中的应用还不是很广泛。Rodriguez等人介绍了使用PBG来减少微带线串扰的可能性。作者证明,如果一条线路携带一个可以耦合到附近线路的已知频率,在无源线路下使用PBG结构可以减少耦合,从而改善有源线路上的传输(图6)。比较了一系列减少串扰技术的结果。
此外,在印刷微带天线中,PBG结构已被探索为一种降低谐波的方法。具体来说,采用了三维PBG作为天线的基板。这些结构在电磁兼容天线中的应用是一个全新的想法。这些结构在某些频率下几乎是看不见的,而在其他频率下则表现得像导体(不允许某些频率通过),因此它们在宽带天线中的应用似乎很有前景。
EMC天线通常是非常宽带的。设计宽带天线是一项挑战。当天线的某些部分被修改以提高性能时,某些其他频率的性能可能会下降。图7显示了PBGs的结构如何在某些工作频率下用作波束形成结构,而不影响它们几乎不可见的其他频率。图7中的喇叭天线在给定的低频下工作。随着频率的增加,高阶模态从馈电腔中发射出来。这些模式可以不辐射,也可以用分裂光束辐射。在腔体中放置PBG结构可以减少高阶模态,并允许在更高频率下产生有效模式,从而在不影响低频行为的情况下增加喇叭的频带。
PBG结构的局限性
与每一种技术一样,PBG结构也有其局限性。虽然二维pbg很容易构建,但三维pbg不容易制造。此外,要在EMC天线设计中有效地使用pbg,需要对天线场的先验知识。(当然,这可以通过数值模拟得到)。pbg的另一个限制与它们的大小有关。为了有效地阻止能量的传播,PBG必须“电大”(理想情况下是无限大)。一个小的PBG结构会减弱传播波,但不会完全阻止它的传播。这种限制在印刷电路设计中尤其显著,其中PBG可能比集总元件组成的滤波器占据更大的面积。
结论
本工作探讨了pbg的基本原理,并展示了它们的一些应用。在这一领域还有大量的工作要做,特别是要确定这些结构是否可以有效地利用来提高对EMC至关重要的宽带天线的性能。同时也探讨了PBG结构的一些局限性。
参考文献
1.Rasidic等.使用介电光子带隙结构的宽带放大器。IEEE微波导引波通讯,第8卷,第1期,1998年1月。13页。
2.Rasidic等.微带线的新型二维光子带隙结构IEEE微波导引波通讯,第8卷,第2期,1998年2月。p。69。
3.Yablonovitch。光子带隙结构J.选择社会。点。B。,第10卷第2期,1993年2月,第283-295页。
4.Maradudin等.截断的二维周期介电介质的光子带结构J.选择社会。点。B。,第10卷第2期,1993年2月,第307-313页。
5.拉姆齐等.微带电路中用作滤波器的光子带隙结构。IEEE微波导引波通讯,第8卷,第10期,1998年10月。
6.V. Rodriguez-Pereyra, A. Z. Elsherbeni和C. E. Smith。“用于最小化微带线之间耦合的光子带隙结构。”1999 IEEE AP-S国际研讨会和USNC/URSI国家无线电科学会议,佛罗里达州奥兰多,1999年7月。
文森特Rodriguez-Pereyra就读于密西西比大学,分别于1994年、1996年和1999年获得学士学位、硕士学位和博士学位。从1994年开始,他在密西西比大学电气工程系担任研究助理。1999年8月至2000年5月,他是德州农工大学金斯维尔分校电子工程和计算机科学的客座助理教授。2000年5月,他加入ETS-Lindgren,担任射频和电磁工程师。
Rodríguez博士的主要兴趣是电磁数值方法,特别是应用于天线和RF/MW吸收器设计。罗德里格斯博士是超过15篇出版物的作者,包括期刊和会议论文,以及对文本的贡献。Rodríguez博士是ACES和IEEE及其几个技术学会的成员。可以在……找到他(电子邮件保护)