基于EBG的緊致型吸波覆層波導(dǎo)測(cè)試研究

1 引言

在微波毫米波領(lǐng)域，由于光子晶體結(jié)構(gòu)所具有的帶隙特性，從而使其在濾波，諧波抑止，電磁兼容等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。最初，光子晶體主要應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)介質(zhì)嵌入或鏤空等技術(shù)制成。隨著微波毫米波技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)進(jìn)一步的深入研究，可以在微波毫米波頻段內(nèi)采用金屬結(jié)構(gòu)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)光子晶體的特性，于是光子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG)又被稱為電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)。在EBG的研究中，通常人們關(guān)心EBG的表面波特性和反射相位特性。但是從空間波的角度來(lái)看，對(duì)電磁波入射到EBG陣列上的反射波幅度的研究同樣有著重要的應(yīng)用潛力。由于新型電磁結(jié)構(gòu)和材料所具有的巨大實(shí)際應(yīng)用前景，除了對(duì)其所新的特性進(jìn)行探索研究外，研究對(duì)于一些新型電磁材料的簡(jiǎn)單、方便和有效的實(shí)驗(yàn)分析方法，在新型材料的設(shè)計(jì)和特性分析方面具有重要的實(shí)際意義。

通常，除了主要考察了這種電磁周期結(jié)構(gòu)的表面波特性，還有意的對(duì)其空間波反射特性進(jìn)行了分析。由于通常結(jié)構(gòu)具有的更為明顯的電抗特性，因此反射特性較差。為了有效的改善電抗表面電學(xué)特性，從而挖掘其在天線、吸波、隱身等方面的潛力，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了大量研究。其中一種有效的方法是在相應(yīng)的電磁周期結(jié)構(gòu)中加載不同功能器件，進(jìn)而改變波入射電磁周期陣列后的反射或?qū)刑匦?，從而就可以?shí)現(xiàn)特定的功能要求。

2 測(cè)試分析模型

本文將在作者課題組此前研究的Mushroom型EBG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)在該結(jié)構(gòu)中加載貼片電阻的情況進(jìn)行研究。對(duì)于傳統(tǒng)的Mushroom型EBG周期陣列結(jié)構(gòu)通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于表面波的不同濾波特性，但是對(duì)于空間波由于該類型結(jié)構(gòu)通常呈現(xiàn)電抗特性因而對(duì)空間來(lái)波的反射較大。如果用加載電阻元件的這種結(jié)構(gòu)覆蓋一定的空間目標(biāo)，則可以通過(guò)電阻損耗掉一部分空間來(lái)波，進(jìn)而在一定程度上減小該目標(biāo)的散射截面。Mushroom型EBG結(jié)構(gòu)是一種在印制電路板上通過(guò)腐蝕和打通孔的方式制備的一種新型電磁材料，其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 Mushroom型緊致EBG結(jié)構(gòu)

這種電磁材料工作在微波頻段，并可以呈現(xiàn)出帶隙特性，從而可以通過(guò)與固體物理中研究光子帶隙材料(PBG)相類似的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究。下面將波導(dǎo)分析法的基礎(chǔ)上，利用波導(dǎo)的高 特性，對(duì)EBG結(jié)構(gòu)加載集總電阻元件進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。

表1 緊致EBG結(jié)構(gòu)幾何尺寸(單位：mm)

EBG結(jié)構(gòu)采用課題組已有兩種不同厚度的材料樣品，兩種樣品的厚度分別為1.5mm和2.5mm，其中EBG的介質(zhì)基板是相對(duì)介電常數(shù)為2.65的高頻板。其它幾何參數(shù)如表1所示。

圖2 波導(dǎo)測(cè)試方法示意圖

為了考察EBG的電阻加載特性，在兩種不同厚度結(jié)構(gòu)的窄邊方向分別焊接電阻值為51Ω和200Ω的貼片電阻。兩種EBG單元數(shù)為均為6×3，介質(zhì)板的大小與波導(dǎo)口相同。實(shí)際制作的測(cè)試樣品如圖3所示。

由于與文獻(xiàn)中主要考察帶隙的分布特性的目的有所不同的是，這里主要關(guān)注EBG結(jié)構(gòu)的反射幅度變化特性。因而在具體實(shí)驗(yàn)中需對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行一些改變。從前的波導(dǎo)分析法是通過(guò)直接將EBG加載在波導(dǎo)端頭，但是Mushroom型EBG是通過(guò)通孔將上、下表面進(jìn)行連接。如果按照原有的測(cè)試方式對(duì)EBG直接作為波導(dǎo)的端接負(fù)載進(jìn)行測(cè)量，則將存在一定的輻射和泄漏。另外，考慮到EBG在一些應(yīng)用中需要將其放置在PEC背景上，為此在原先測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，于EBG背面連接一短路塊。

圖3 加工制備的待測(cè)樣品

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

3 測(cè)試結(jié)果分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用設(shè)備如圖4所示。通過(guò)Agilent8719ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀所測(cè)試到了兩類(四種)不同EBG加載時(shí)的單端反射系數(shù) 隨頻率變化的曲線。測(cè)試結(jié)構(gòu)在圖5a-5d中分別給出。

從測(cè)試結(jié)果可以看到，對(duì)于厚度為1.5mm的未加載電阻EBG結(jié)構(gòu)，在頻率大于5.5GHz的一個(gè)頻段內(nèi)出現(xiàn)了兩次反射幅度約1dB的下降。當(dāng)加載電阻后，從實(shí)測(cè)曲線可以看到在較寬的頻段內(nèi)出現(xiàn)了兩次更多幅度的反射減弱。從測(cè)試結(jié)果圖5a和5b中，可以看到在4GHz左右曲線均出現(xiàn)了一處變化，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)整和分析可以發(fā)現(xiàn)，這一變化是由于實(shí)驗(yàn)裝置存在微小能量泄漏而造成的。當(dāng)加載厚度為2.5mm的兩種EBG結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)對(duì)比測(cè)試曲線可看到，未加載電阻的EBG結(jié)構(gòu)在4.24GHz和5.25GHz處出現(xiàn)兩處反射減弱現(xiàn)象，當(dāng)加載200Ω電阻后，在5.4GHz左右出現(xiàn)一個(gè)較寬頻帶，該處的反射發(fā)生了較大幅度的減弱。另外，在微波波段，貼片電阻的寄生參數(shù)等因素也會(huì)對(duì)反射特性存在一定的影響。通過(guò)上面的實(shí)驗(yàn)表明，在原有EBG結(jié)構(gòu)中加載電阻會(huì)在一定程度上減小反射的幅度。由于上面的實(shí)驗(yàn)在波導(dǎo)腔內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，因此只需較小的實(shí)驗(yàn)環(huán)境就可以完成。當(dāng)然上面實(shí)驗(yàn)只是通過(guò)單一的極化進(jìn)行了分析，如果是實(shí)際的空間波照射還需考慮不同極化的作用。

4 結(jié)論

本文著重介紹了在通過(guò)EBG結(jié)構(gòu)加載的形式實(shí)現(xiàn)的電磁吸波覆層實(shí)驗(yàn)方面的一些工作。結(jié)合測(cè)試對(duì)象的具體情況對(duì)波導(dǎo)測(cè)量法進(jìn)行了改進(jìn)，并以這種方便、快捷的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同厚度的Mushroom型EBG單向加載結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)加載不同阻值的貼片電阻，該電磁吸波覆層可以在一定頻段內(nèi)表現(xiàn)出較好的吸收特性。