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1、第12卷第1期集美大学学报(自然科学版)Vol.12No.12007年1月JournalofJimeiUniversity(NaturalScience)Jan.2007[文章编号]1007-7405(2007)01-0033-05光子带隙微带天线的分析与设计黄龙海,傅佳晨,陈浩,游佰强(厦门大学信息科学与技术学院光波技术研究所,福建厦门361005)[摘要]采用时域有限差分法分析计算了光子隙微带天线的S参数,发现了光子带隙微带结构具有明显的禁带特性,然后利用仿真软件讨论这种结构天线参数的变化与对其禁带特性的关系.最后归纳了这种天线的基本设计原则和
2、这种光子带隙微带天线的优点.[关键词]时域有限差分法;光子带隙;微带天线[中图分类号]TN820111[文献标识码]A0引言光子带隙(PBG)结构在微波、毫米波电路中的应用是近年来新的研究热点之一,其发展可追溯[1]到1987年Yablonovitch在研究抑制自发辐射时提出的光子晶体(PhotonicCrystal)概念.光子带隙结构,又称为光子晶体,是一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成的周期结构.由于这种结构可以通过缩放尺寸关系应用于很宽的频率范围,因此近几年来微波与毫米波领域的PBG结构应用越来越引起人们的关注.在PBG结构中,电磁
3、波经周期性介质散射后,某些波段电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减,无法在该结构中传播,于是在频谱上形成带隙.PBG结构在微波领域,特别是微波电路和天线领域中有着巨大的潜在应用价值,因此PBG结构特性的理论分析和计算也就[2]具有重要的意义.1光子隙微带天线理论分析111时域有限差分法时域有限差分法(FiniteDifferenceTimeDomainMethod)是目前求解电磁问题的最有效的数值分析技术之一,它是一种时域方法,可以处理各种形状、多种材料的复杂结构系统;另外,时域有限差[3]分法还可以在一次计算中得到系统的宽带响应,对系统频率特性的
4、研究有重要意义.近十几年来时域有限差分法用于微波电路的分析已经日趋完善,对于PBG微带结构的数值分析完全可以借鉴分析[4]普通微带线的方法,由其发展变化而来.本文重点分析的是二维PBG微带结构.为了便于时域有限差分(FDTD)法处理,设计的PBG微带线接地板上蚀刻的周期结构采用矩形方格,方格的周期为T,边长为a.天线设计中的吸收边界条件采用的是目前广泛使用的完全匹配吸收边界条件.为了得到PBG微带结构的阻带特性,笔者采用5层PML条件.激励源采用瞬态脉冲,通过在金属导带和接地板之间引入Gauss变化的跨接电场Ex来实现.为了得到匹配情况下PBG结构
5、对微带天线的影响,在微带线的激励端设置参考面L1,记录参考面上的电场值Ex随时间的变化,通过Fourier变换和相关处理,可[收稿日期]2005-10-31[基金项目]福建省自然科学基金资助项目(A0510001)[作者简介]黄龙海(1983-),男,硕士生,从事射频通信与天线技术研究.通讯作者:游佰强(1958-),男,副教授,硕士生导师,从事射频通信与天线技术研究,E2mail:youbq@xmic1net.©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsrese
6、rved.http://www.cnki.net·34·集美大学学报(自然科学版)第12卷以得到PBG微带结构的S11参数,从中可以看出微带线的宽带频响.FDTD算法是对与时间相关的麦克斯韦旋度方程的直接求解,它采用中心差分取代电磁场分量的空间和时间上的微分形式而得到.FDTD是一个时间步进过程,输入一个抽样的模拟信号,问题空间可以通过两个相互交替的由离散点组成的网格来建模.麦克斯韦方程反映电磁场的基本规律,于是在这种介质空间中所发生的电磁过程满足以下形式的麦克斯韦旋度方程:5珗B5珗B¨×珗E=--珒Jm;¨×珝H=+珒J.5t5tYee氏于19
7、66年首先导出了Max2[5]well旋度方程的有限差分方程.为表示方便起见,在采用Yee氏网格(如图1所示)时,用Δx,Δy和Δz分别表示在x,y和z坐标方向的网格空间步长,网格点的空间坐标简单地表示为:(i,j,k)=(Δix,Δjy,kΔz).其中i,j和k均为整数,分别表示x,y和z坐标方向的网格标号或空间步长个数.时间步长用Δt表示,用n表示时间步长的个数.一个时变参量一般既与空间坐标有关,也与时间变量有关.为了表示方便把时间变量写在其代表符号的左上角,并采用下面的简化表nn示方法:F(i,j,k)=F(Δix,Δjy,kΔz).其中F是
8、任意时变参量.在把Maxwell旋度方程转化为差分方程时,Yee氏采用了具有二阶精度的中心差分近似.在Yeen氏网格中由于
