[毕业论文] 光子晶体的研究 [复制链接]

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毕业论文-光子晶体的研究，共31页，12424字。
目录
1  绪论    1
1.1  研究的背景及意义    1
1.2  国内外人工介质结构研究概况    1
1.3  本课题的主要工作    3
2    光子晶体简介    4
2.1  光子晶体起源    4
2.2    光子晶体的基本特性    5
2.3  光子晶体的物理基础    6
2.4  光子晶体的周期性描述    6
2.5  光子晶体中的Maxwell方程    6
2.6  Bloch-Floquet原理    7
2.7  能带结构    8
2.8  微波频段的光子晶体    9
3    基片集成人工介质的电磁带隙特性分析方法    13
3.1  基片集成人工介质的基本结构    13
3.2    仿真软件HFSS    13
3.3    仿真软件CST    14
3.4    悬置微带线法    15
3.5    波导模型仿真    16
3.6    色散模式法    17
4 SIAD结构参数与带隙特性的关系    19
4.1    金属柱高度的影响    19
4.2    金属柱直径的影响    20
4.3    周期单元的影响    24
4.4    介电常数的影响    26
致  谢    28
参考文献    29

1  绪论
1.1  研究的背景及意义
在20世纪年50代初以前,所有的微波设备几乎都是采用金属波导和同轴线电路。
随着大规模和超大规模集成电路技术,新型电子材料技术和封装互连技术的快速发展,现代军用和民用电子装备正在向小型化,轻量化,高可靠,多功能和低成本方向发展,尤其对机载,舰载和星载等电子装备、实现小型化、轻量化对于提高其电性能指标和灵活机动性更为关键。作为电子装备前端的微波电路与系统已在现代通讯导航系统,民用和军用雷达中广泛应用,其电气性能和物理结构对整个电子装备的性能有着举足轻重的影响,要求微波电路和系统做到小型、轻量、性能可靠、从而兴起了全球范围内对新结构、新工艺、新材料的研究热潮。
人工电介质结构是在自然界存在的电介质中人为地掺杂金属颗粒,改变其电磁特性,进而形成满足特定需要的一类人工介质。人工电介质的研究及实际工程应用可以追溯到上世纪40-60年代,许多学者,如kock、cohn、collin等,做了大量研究,其中大部分研究工作旨在为透镜天线提供更轻巧的天线罩。由于体积原因和制作工艺复杂,这些早期的人工电介质应用范围有限。近年来,人工电介质更多地用于改变介质材料的特性,例如通过加入金属导带阵列来增加人工电介质的有效介电常数。当然,也可以减人工电介质的有效介电常数,甚至使其小于1。这主要用于改善漏波天线的辐射特性。人工电介质还被广泛用于构造各种人工材料表面，如高阻抗表面，减反射涂层等。异向介质(metamaterial)和光子带隙结构也属于人工介质材料，近年来得到了世界范围内的广泛关注和研究。
1.2  国内外人工介质结构研究概况
基片集成人工介质(Substrate Integrated Artificial Dielectric, SIAD)结构是2007年由M. Coulombe等人提出的一种新型人工介质材料。它是由两层介质构成，在下面一层电介质中加入许多金属柱，这些金属柱排列成方阵并与最下面的接地板相连，金属柱的大小和间距远小于导波波长。上面一层电介质起隔离作用，微波电路就制作在上层电介质上面。与原始两层电介质(下层电介质中不加金属柱)的本构参数相比，由于下层电介质中金属柱的存在，通过改变金属柱的几何参数(直径、高度和间距等)可以有效增加介电常数。由于这样构成的电介质具有顺电性和顺磁性，其有效折射率提高，从而导致导波波长缩短，因此对任意改定的衬底材料，此结构可以用于减小电路尺寸。
由于SIAD结构中金属柱的周期排列，因此它也是一种EBG结构，也具有带隙特性。利用三维电磁仿真器仿真分析SIAD结构参数(如金属柱的大小、高低及周期等)与其电磁带隙中心频率及带宽之间的关系，给出定量描述，为基于SIAD带隙的工程实际应用研究奠定理论基础。
光子晶体最根本的特性就是具有光子带隙(PhotnociBnadgpa，PBG)。众所周知。在半导体材料中由于周期势场作用，电子会形成不同的能级，能级与能级之间可能有能隙。光子的情况也非常相似，如果将具有不同折射系数的介质在空间按一定的周期排列，当空间周期与波长相当时，由于周期性所带来的Bgarg散射，能够产生一定频率范围的光子带隙，使得光不能传播。光子晶体实际上对整个电磁波谱都是成立的，甚至于对于声波(弹性波)也存在带隙。
电磁带隙材料的概念实际上来自光子晶体(Photonic crystal)概念的推广。1987年，美国Bell实验室的E.Yablonovitch和Princeton大学的S.John分别在讨论如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域谐振时，各自独立的提出了光子晶体这一新概念[1,2]。它是由半导体中的电子能量存在禁带这一能带理论类推出来的。传统的固定理论表明，在晶体结构的周期性势场的作用下，电子的能量本征值产生一系列的带，带与带之间形成无能量级的带隙。与此类似，如果光子在光波长尺度周期结构电介质中运动，那么光子能量也会具有类似固体中电子能带的结构，同样产生光子能量的禁区带，此即光子带隙(photonic bandgap：PBG)。对光子的传播具有这一特性的介质就被称为光子晶体(Photonics Crystal：PCs)。光子晶体是一种非常典型的光子带隙(Photonic Bandgap,PBG)材料，它的禁带效应功能是引起人们最大兴趣的所在。比如通过对材料介电常数的分布进行周期性调制，某些特定角度的入射波被临近的周期结构散射而产生干涉,发生类似布拉格(Bragg)衍射的现象，这些特定入射方向的能量由于衍射效应导致传播的群速度为零，因而被禁止通过，形成禁带。利用光子晶体的禁带机制，人们能够对光进行更加自如的控制，这种新的对光的控制机制，完全不同于传统的内全反射机制(例如传统光纤)，因而在光子器件和光集成领域获得了广泛的应用。
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