光子晶体单胞尺寸的小型化及其在天线中的应用研究

3. Department of Electronic Science & Technology, East China Normal University, 3663 North Zhongshan Road,
Shanghai 200062, China Abstract： The miniaturization effort on the unit cell size of UC-PBG material is conducted，a few new UC-EBG materials with
1. Sinoceramics. Inc. 929 Gulin Rd. Guangfei Building, Shanghai 201103, China
2. Department of Physics, Hudan University, 220 Handan Road, Shanghai 200433, China
构的存在使电磁波在某一特定的频率禁带内不能传 播。利用这一特性，使电磁波能充分按人指定的方向 进行传播，这一特性无疑将带来一场光及微波技术的 新革命。
光子晶体材料根椐周期性结构排列方式的不同可 分为三维，二维（也称平面）及一维三大类。其中二 维平面或准平面的结构因低剖面及制备工艺简单等特
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第十一部分 微波毫米波新型材料与结构
当前常用于微波元器件制造的介质基板主要有聚 四氟乙烯类材料与微波陶瓷材料二大类, 前者的相对 介电常数多在 10 以下, 而常用微波陶瓷材料的介电常 数常在 10~100 之间。当禁带频率要求在 1-2GHz 时， 用这两种材料的介质基板制成的光子晶体材料的单胞 尺寸常在厘米级以上，仍难满足手机等小型移动终端 应用的要求。清华大学林州等[4] 曾采用更高介电常数 的压电材料 PZT 作为基板进行了平面 UCPBG 结构单 胞光子晶体材料及天线的研究，PZT 材料尽管其相对 介电常数可达 1000 以上，但介电损耗也较大，tan δ常 大于 10-2，这一数值对微波应用而言，无疑仍显过高。 因此我们此处采用一种新型的介电、铁电材料 BaxSr1-xTiO3 (X=0.05~0.95) （缩写为 BST）作为基 板材料。这种新材料的相对介电常数为 200~10000； 介电常数的大小随 Ba /Sr 比的不同而变，介电损耗 tanδ约为 10-3-10-4，与 PZT 相比至少低一个数量级。 我们采用的这种 BaxSr1-xTiO3 的相对介电常数为 500-1500。这种高介材料基板由标准陶瓷制备工艺制 备。陶瓷表面的周期性电磁禁带结构可由标准光刻、 丝网印刷工艺制备或化学电镀方法制备。
本文从材料单胞结构及介电常数两方面着手对平 面紧凑型光子晶体单胞尺寸的小型化进行了较详细的 研究，开发了多种小尺寸、宽禁带的光子晶体材料， 在此基础上进行了天线方面的应用研究。
2 单胞结构的改进工作
为了降低光子晶体的单胞结构，我们首先对 T.Itoh 提出的 UC-PBG 结构进行了改进，如图 1 所示， 图中黑色部分为缝隙，白色部分为金属。相比 T.Itoh 的原结构单胞（图 1（a））,我们在原单胞中四个较大 的金属四方块中增开了更多的小缝隙以增加有效电感 L 与电容 C(图 1（b）)，从而降低这种光子晶体材料 的禁带频率ω0，因在这种类型的平面 UC-PBG 材料中 禁带频率ω0 与有效电感 L 与电容 C 的关系可由下式 (1)表示[3]：
0
-10
1000-2.1
-20
-30
-40 -50 -60
-70 -80 -90
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Frequency(GHz)
图 7 高介微波光子晶体材料 S21 测试结果(基板介电常数为 1000
Miniaturization of the Unit Cell Size of Photonic Bandgap Materials and its
Application on Antenna
L. X. He1 X. H. Liu2 J. Y. Yin3 S. Z. Zhu3 J. Zi2 and Y. Li1
Key Words: Photonic Bandgap Materials, Miniaturization of Unit Cell Size, Antenna
1 前言
光子禁带结构材料（Phototic Bandgap， PBG） 又称光子晶体，是二十世纪八十年代末提出的新概念 与新材料，它通常是由不同介电常数的介质材料通过 周期性排列或在常规介电材料中引入人工周期性结构 而形成的新型复合功能材料。由于周期性电磁带隙结
ω0 = 1 LC
(1)
相反,对于给定禁带频率 ω0,单位面积范围内提供
的有效电感与电容越大,则满足禁带频率要求的光子
晶体单胞的尺寸就可越小。此单胞结构材料中，通过
调节缝隙的宽度、长度、单胞之间的间距以及整个单
胞总尺寸，可以很方便地对 UC-PBG 材料的禁带频率
图 3 绕线型 UCPBG 材料示意图（白色部分为缝隙，篮色部分为 金属）
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2007 年全国微波毫米波会议论文集
0
-20
S (dB) 21
-40
-60
-80
-100
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
Frequency(GHz)
图 4 绕线型 UCPBG 材料 S21 测试结果(单胞大小为 3.6mm)
3 高介微波陶瓷光子晶体材料的研究
通过对光子晶体单胞结构的改进，可在一定程度 上降低光子晶体 的单胞尺寸，但随着使用频率的降低， 光子晶体单胞尺寸仍显过大。例如，即使采用我们提 出的绕线型单胞，当采用常规介电常数为 4.3 的介质 材料作基板,在 2.0GHz 频段以下天线使用时, 单胞尺 寸仍在 5 毫米以上，这对手机等对天线尺寸限制很严 的小型移动终端而言，仍显过大。除单胞结构设计改 进外，降低单胞尺寸的另一个有效手段是采用更高介 电常数的材料作基板。
进行调节 ，以获得具有所需禁带频段的光子晶体材料。 以
3.5GHz 无线城域网天线应用为例,我们对 T.Itoh 单胞结构光子晶体材料及我们的改进型光子晶体材料 进行了比较,结果如图 2 所示。选用厚度为 1.5mm,介 电常数为 4.3 的微波介质基板材料, 单胞尺寸均为 4.0mm 时，实验测得 T.Itoh 单胞光子晶体材料的禁带 中心频率及我们改进型光子晶体材料的禁带中心频率 分别为 4.5GHz 及 3.5GHz, 即改进型光子晶体材料的禁 带频率降低了约 30% 。相应地对于满足相同禁带频率 要求的两种光子晶体单胞，我们的改进型单胞尺寸可 缩小约 30%。这一结果表明，对二维（或准二维）平 面光子晶体材料而言，通过增加单位面积内的有效电 感与有效电容的方法来缩小单胞尺度的方法是有效 的。按此思路，我们提出一种纯绕线型单胞结构，如 图 3 所示（白色部分为缝隙，篮色部分为金属）。实验 结果表明，中心禁带频率为 3.5GHz 时其单胞尺寸只 需要 3.6mm,比上述改进型 Itoh 单胞结构还要小 10% 左右。与原 Itoh 结构相比，对同一禁带频率而言，单 胞尺寸可缩小约 40% 。实验测得上述绕线型单胞结构 光子晶体材料的 S 参数如图 4 所示。
0
Modified Itoh
Itoh
-20
S21 (dB)
-40
-60
-80 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2
Frequency (GHz)
图 2 单胞尺寸为 4mm 的两种光子晶体材料 S21 测试结果.
图 １ ＵＣ－ＰＢＧ 材料单胞结构示意图：（ａ）Ｉｔｏｈ 型；（ｂ）改进型
图 5 用于高介微波陶瓷基板的改进型 UC-PBG 单胞结构
0 1500-2.3
-20
S21(dB)
-40
-60
-80
-100
0.5
பைடு நூலகம்
1.0
1.5
2.0
2.5
Frequency(GHz)
图 6. 高介微波光子晶体材料 S21 测试结果(基板介电常数为1500， 光子单胞尺寸为 2.3mm)
S (dB) 21
reduced unit cell size and wider bandgap frequency are developed based on the novel UC-PBG patterns and a new microwave
ceramic substrate. The as-developed UC-PBG material is then used as a perfect magnetic conductor reflector in a microstrip slot
点 在 现 有 文 献 中 研 究 报 道 最 多[1-2] ， 典 型 代 表 有 Yablonovitch 等人提出的“蘑菇状”结构[1]及 T.Itoh 提出的平面紧凑型结构(Uniplanar Compact Photonic Bandgap,缩写为 UC-PBG)等[2]。上述二类平面电磁禁 带结构材料尽管可提供足够的禁带频率宽度满足多数 微波元器件应用需要，但基板采用介电常数较低的介 质载体时平面单胞尺寸仍显过大，这样为了满足有限 的元器件几何尺寸要求，在微波元器件中实际使用的 单胞周期数将大大降低，而由于采用的单胞个数的减 少，电磁禁带结构材料抑制电磁波传播这一特性的发 挥也将大打折扣，这在低频率场合应用时的局限性更 加突出。开发小尺寸、宽禁带的新型光子晶体材料， 是开发手机等小尺寸移动终端用光子晶体天线及其他 新型微波元器件必不可少基础。
antenna array in place of the conventional metal reflector. The results reveal that UC-PBG reflector shows higher sidelobe
suppression and higher gain than that of metal reflector.
2007 年全国微波毫米波会议论文集
光子晶体单胞尺寸的小型化及其在天线中的应 用研究
贺连星 1 刘晓晗 2 殷杰羿 3 朱守正 3 资剑 2 李毅 １
１ 上海联能科技有限公司，上海市桂林路 ９２９ 号广飞大楼四楼，２０１１０３ ２ 复旦大学物理系，上海市邯郸路 ２２０ 号，２００４３３
３ 华东师范大学电子科学技术系，上海市中山北路 ３６６３ 号，２０００６２ 摘要: 本文对平面紧凑型光子晶体材料(UC-PBG)的小型化进行了较详细的研究，基于多种新型的光子晶体单胞结构及一种 新的微波陶瓷基板材料，开发了多种小尺寸、宽禁带的光子晶体材料。在微带缝隙天线应用中,采用上述新型的光子晶体材 料作理想磁导反射板取代常规金属反射板，可有效降低天线的旁瓣电平、提高天线增益。 关键词: 光子晶体材料,单胞小型化,天线
针对 GPS 及二代、三代手机天线应用，我们在上 述新型高介微波材料上研究了另一种改进的 T.Itoh 单 胞结构光子晶体材料(如图 5 所示)。为了增加电感量，
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我们将 Itoh 结构中的连接四个较大的金属四方块的直 线改成了弯曲的绕线。获得了多种不同禁带频率的新型 光子晶体材料。这种材料的典型的禁带频率测试结果如 图 6-7 所示。采用介电常数为 1500 的 BST 作基板，光 子单胞尺寸为 2.3mm 时（图 6），其禁带中心频率约为 1.6GHz 左右， -40dB 禁带频率范围约为 1.1∼2.1GHz， 对应禁带中心频率的相对带宽约为 61%,这种材料无疑 可满足 GPS 天线(频率 f=1.575GHz)及 2G PCS(频率 f=1.8GHz)天线应用的要求.采用介电常数为 1000 的 BST 作基板，光子单胞尺寸为 2.1mm 时（图 7），其禁 带中心频率约为 2.3GHz 左右,其-40dB 禁带频率范围约 为 1.65∼2.90GHz，相对禁带宽度约为 56%,可满足 2G 或 3G PCS(频率 f=1.7∼2.1GHz)以及 802.11b 或 g 天线 (频率 f=2.4∼2.5GHz)天线的应用要求。