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UCPBG结构创建准TEM波导的仿真分析
第32卷第2期电子与信息学报Vol.32No.22010年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb.2010
UC-PBG结构创建准TEM波导的仿真分析
张弛
①②
罗积润
①
①
(中国科学院电子学研究所中国科学院高功率微波源与技术重点实验室北京100190
②
(中国科学院研究生院北京100039
摘要:
光子带隙(PhotonicBandGap,PBG,是指人造的周期性电介质结构,它使得在一定频率范围内的电磁波是禁止传播的,而单平面紧凑型光子带隙结构(UC-PBG是一种以微带基片为载体的周期性平面光子带隙结构。
该文用UC-PBG结构置换标准矩形波导窄边,可在UC-PBG结构的谐振频率点附近将TE10模转变成准TEM模。
通过对整个系统进行仿真计算,证实了此方法切实有效,在Ku波段转换带宽达到450MHz。
关键词:
光子带隙;UC-PBG结构;理想磁导体;准TEM波导
中图分类号:
TN814文献标识码:
A文章编号:
1009-5896(201002-0454-05DOI:
10.3724/SP.J.1146.2009.00111
AnalysisandSimulationoftheQuasi-TEMWaveguide
byUsingUC-PBGStructure
ZhangChi
①②
LuoJi-run①
①
(KeyLaboratoryofHighPowerMicrowaveSourcesandTechnologies,InstituteofElectronics,
ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China
②
(GraduateUniversity,ChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China
Abstract:
PhotonicBandGap(PBGisman-madeperiodicdielectricstructure,whichmaycontrolthepropagationofelectromagneticwavesincertainfrequencyrange.AndtheUniplanarCompactPhotonicBandGap(UC-PBGisaperiodicphotonicbandgaponaconductor-backeddielectricsubstrate.ThispaperintroducesawaveguideusingtheUC-PBGstructure,whichreplacethetwobilateralsidesofarectangularwaveguide.ThesimulationswithAnsoftHFSSindicatethattheTE10modecanbeconvertedtoquasi-TEMmodeintherangeof15.15GHz-15.60GHzwiththeUC-PBGstructure.
Keywords:
PhotonicBandGap(PBG;UC-PBGstructure;Perfectmagneticconductor;Quasi-TEMwaveguide
1引言
光子带隙的概念源于光子晶体的研究成果,即将具有不同折射系数的介质在空间按一定的周期排列,当空间周期与光波长相当时,由于周期性所带来的布拉格散射,它能够在一定频率范围内产生“光子禁带”。
如果光子的能量落入光子禁带频率范围内,则不能在介质中传播[1]。
光子带隙最初始于光学领域,后通过缩比关系扩展到微波和毫米波频段,1991年Yablonovitch等制做出了第1个具有全方位禁带的微波光子晶体,其频率带隙为10-13GHz。
此后,研究人员又相继报道了1维,2维及3维微波光子带隙结构,并且在天线,滤波器以及微带传输线方面得到了良好的应用[24]−。
UC-PBG是UCLA的Qian和Itoh等提出的一种新型谐振式微波光子带隙结构—单平面紧凑型光
子带隙结构[5]。
这种结构同以往结构的不同之处在于2009-01-20收到,2009-07-03改回通信作者:
张驰czhang2009@
它不在介质上打孔或利用介质生成具有各种形状横截面的柱状单元,而是在微带线的导体带上刻蚀出周期性的结构,便可实现光子带隙的性能。
其结构如图1(a所示,深色部分为刻蚀出的金属图形,金属下面浅色部分为基底。
这种结构制作工艺简单,结构紧凑,无需多余的电路元件便可实现其阻带特性,可以有效地抑制微带滤波器中的高次谐波。
并且此结构同样对表面波的抑制作用也非常明显,使得微带天线增益提高,同时可以降低天线的后向辐射,这无疑可以大大提高微带天线的效率。
此外其平面结构的特性使其更便于同微波电路相集成[6,7]。
近年来,空间功率合成技术,特别是波导内空间合成技术,凭借其结构上的特性,有效地防止了辐射损耗,同时散热性能良好,越来越受到人们的关注。
但是由于基模在波导横截面上场分布是不均匀的,因此经过功分器耦合至放大器输入端的能量幅度、相位是不一致的,无法保证处在不同位置的放大器同时达到饱和,还可能有烧毁器件的危险,
第2期张弛等:
UC-PBG结构创建准TEM波导的仿真分析455
图1
同时影响合成效率。
本文利用UC-PBG结构创建的准TEM波导,将TE10模转换成准TEM模,使波导横截面上的能量分布趋于均匀,便可推动处于横向不同位置的各个放大器处于同等工作状态,在不增加额外电路的情况下,使合成效率和稳定性得到提高。
以下第2节分析了UC-PBG结构的工作原理并给出等效电路L和C的估算方法。
第3节介绍了采用横向谐振法可以证明将UC-PBG结构置换矩形波导窄边后能够获得准TEM模。
第4节将通过仿真计算对准TEM波导的形成和特点进行分析。
2UC-PBG结构工作原理分析
图1(b给出了UC-PBG单元结构示意图,图中
单元之间的细长金属带(等效为电感L和单元之间的空隙(等效为电容C并联成一LC网络,此网络阻
抗为1jL
ZLC
ωω=
−。
理想情况下,当LC网络发生
谐振时,即0ω=
,并联LC电路的阻抗为无穷大,此时光子晶体结构可等效视为理想磁导体(PMC,在谐振频率附近,其阻抗也非常大,如图2所示。
由上面分析得知,UC-PBG结构的谐振频率由等效为电感的单元之间的细长金属带和等效为电容的单元之间间隙决定。
对于设计来说,如果知道了具体等效元件的估算方法,便可通过调节细长金属带的长度和间隙距离来大致选择谐振频率。
这里采
图2等效电路的阻抗
用微带线电感设计计算公式为[8]
(nH=0.2ln1.1930.2233glstLlkstl⎛⎞+⎜⋅⋅++⋅⎜⎜⎝+(1其中修正因子0.570.145log(/gksH=−⋅,l为带状线长度,s为微带线宽度,H为基底厚度,t为微带厚度。
而对电容值的计算采用微带不均匀性缝隙理论计算公式为[9]
11201/2,1/2(1/2eeCCCCC==−(2其等效电路如图3所示。
其中
图3微带缝隙结构及等效电路
(
(((0
0.9
0.8
0.120000(pF/exp(/9.6,=0.8675,
=2.043,(pF=/exp(/9.6,
[0.267ln(0.3853],4.260.631ln(,e
meeremerCbkbkmkCbkbkmuukuuεε=⋅⋅⋅⋅⋅=−=−/ubH=,H为基底厚度。
在2.515rε≤≤范围内,eC和0C均可按照上式计算得到。
为了检验理论计算的准确性,可以通过计算UC-PBG结构反射相位来验证,其原理为:
对于理想电导体面(PEC而言,电磁波照射到表面时,反射系数Γ=-1,会产生180°的相移,在界面上反射波与入射波是反向的。
而对于理想磁导体面(PMC
而言,其反射系数Γ=1,
反射信号与入射信号同相,反射相位为0。
因此对于相同的外部结构,理想磁导体边界与理想电导体边界的反射波相位差将达到-180°。
分别放置UC-PBG结构和理想导体于相同尺寸的两个波导右端,波导左端为输入端,从而可以计算反射波反射到输入端的相位,其模型如图4所示。
图5的结果为两个反射相位的差值,从中看到,在15.45GHz处相位差达到-180°,说明此时UC-PBG结构可以等效看作是PMC,此频率点为LC网络谐振点。
而利用上面给出的估算公式计算得到等效电感和电容值分别为L=0.3786nH,C=
0.2615pF,
因此可得到估算的谐振频率f=
=16.0GHz。
理论计算的结果与仿真结果比较偏离了3.56%,究其原因主要有两个方面:
其一是估算公式自身的误差。
其二,由于UC-PBG结构存在有限边界的影响,从而公式估算自然也会带来一定程度的误差。
456电子与信息学报第32卷
图4图5PBG反射相位与PEC反射相位差
3UC-PBG结构创建准TEM模分析
用UC-PBG周期结构置换标准矩形波导窄边后与标准矩形波导连接,左端为TE10的输入端,右端为输出端,如图6所示。
为了尽可能地减小由于引入UC-PBG结构所带来的反射,将UC-PBG结构嵌入到波导窄边,这样便可保持波导宽边的长度不变,其横截面如图7(a所示。
本文采用横向谐振法来分析波导中的模式:
横向谐振法是利用波导横截面的传输线模式,给出简单且直接的传播常数的计算结果,是利用电路和传输线理论直接分析工作模式传输常数的有效方法。
横向谐振法定义在线上任意点向两个方向看去的输入阻抗之和必须为零,即
inin((0rlZxZx+=,对于所有x(3其中in
(rZx和in(lZx分别为在谐振线上的x点向右方和向左方看去的输入阻抗。
文献[10]已经证明了当并联网络发生谐振时,
UC-PBG结构可以等效看作是理想磁导体,
LZ为无穷大,xk趋于0,并且由于采用的是标准波导基模TE10传输,因此yk=0,当xk=yk=0时波导中传播的是TEM模。
在谐振频率附近由于UC-PBG结构的阻抗也非常大,因此将形成准TEM模。
4UC-PBG结构创建准TEM模仿真
基于上述理论分析,我们采用全波分析软件AnsoftHFSS对图6所示模型进行仿真,选用Ku
波段标准矩形波导WR-62(15.8mm×7.9
mm,介质基片选用RT/Duriod6010,其具体参数:
厚度d=0.635mm,介电常数rε=10.2,损耗角正切为0.0023,金属导体厚度为35mμ。
UC-PBG结构的尺寸如图1(b所示:
a=3.04mm,b=1.08mm,g=0.25mm,s=0.13mm,h=0.70mm,k=0.25mm。
通过观察场图发现,对于TE10波输入,
UC-PBG结构在不同频率范围表现出不同的特点。
图8给出了传输系数随频率的变化关系(a和准TEM模形成的电场分布图(b。
曲线分为4个频率区:
在15.15GHz以下,即图8(a中A点之前,由于其频
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