张文梅1，2 李小卫2, 毛军发1，孙晓玮2 | ||||||||||
（1.上海交通大学电子与电气工程学院，上海200030； 2.中科院上海微系统与信息技术研究所，上海200050） | ||||||||||
| １引言 光子带隙结构是在１９８７年由ＵＣＬＡ的Ｙａｂｎｏｌｏｖｉｔｃｈ提出的，其基本工作原理是：电磁波在具有周期结构的介电材料中传播时，会受到调制，形成能带结构，能带结构之间可能出现带隙。当电磁波的工作频率落在带隙中时，由于带隙中没有任何态存在，因而任何方向的入射波都会发生全反射。因此，光子带隙结构具有带阻特性。同时，光子带隙结构还改变通带内的传播常数，是一种慢波结构。由于光子带隙结构的以上特点，使它在许多方面得到了应用。平面光子带隙结构由于便于集成，因而在微波和毫米波集成电路中得到了广泛的应用。 ２平面带隙结构在微带线中的应用［１］ 在微带线的接地板上光刻不同的平面带隙结构可以使微带线具有带阻特性，阻带的中心频率ｆ０由周期结构的周期决定，阻带的带宽和深度与周期结构中单元的形状和数目有关。一般，ＰＢＧ的周期等于ｆ０处导波波长的０５倍。图１（ａ）即为具有光子带隙的微带线，图１（ｂ）给出了其Ｓ参数。从图中可以看出，该微带线阻带的中心频率为１１ ＧＨｚ。另外，有的微带线需要弯曲，不同的弯曲程度会带来相应的损耗。引入ＰＢＧ结构可以减小由于弯曲而产生的损耗，如图２所示。
３ＰＢＧ结构在滤波器中的应用 由于ＰＢＧ结构的带阻特性，使它在滤波器中得到了广泛的应用。接地板上光刻有ＰＢＧ结构的微带线即具有一定的滤波性能。将普通微带线的导体带变为按正弦规律或其他规律变化的ＰＢＧ结构后，也可以得到较好的滤波效果［２］，如图３所示。
在普通滤波器的接地板上光刻ＰＢＧ结构，可以改善其性能［３］。图４（ａ）中是一个在接地板上光刻了平面型紧凑ＰＢＧ（ＵＣＰＢＧ）结构的带通滤波器，图４（ｂ）是该滤波器的Ｓ参数，图中粗实线和点划线分别为有ＰＢＧ结构滤波器的Ｓ２１和Ｓ１１，细实线为参考文献中无ＰＢＧ结构滤波器的Ｓ２１。从图中可以看出，接地板光刻ＰＢＧ结构后，减小了通带内的损耗，压制了谐波频率上的伪响应，增加了通带带宽。另外，由于ＰＢＧ结构的慢波效应，滤波器的尺寸也可以减小。
在带通滤波器（ＢＪＦ）中，为了压制多个谐波频率处的伪响应，增加阻带带宽，还可采用ＰＢＧ结构的串联形式［４］，如图５（ａ）所示；图５（ｂ）和（ｃ）分别为该滤波器在光刻ＰＢＧ结构前后的Ｓ２１参数，从图５（ｂ）和（ｃ）的比较可看到相应的结论。而在带阻滤波器（ＢＰＦ）中，采用图６所示的两种阻带中心频率不同的ＰＢＧ并行结构可增加阻带宽度［５］。
 电源转换效率（ＰＡＥ）和输出功率是功率放大器的重要指标。在放大器的输出端采用设计合理的带有ＰＢＧ结构的微带线，可以平衡掉二次谐波和三次谐波，从而提高电源转换效率，同时也增加了输出功率和带宽。图７是采用ＰＢＧ结构的功率放大器。图８为工作频率附近的电源转换效率和输出功率，其中实线和虚线分别为测量和参考结果。从图中可以看出，电源转换效率和输出功率分别增加了１０％和１３ ｄＢ。
５ＰＢＧ结构在微带环行桥中的应用［７］ 在微波集成电路中经常会用到微带环行桥。将ＰＢＧ结构引入微带环行桥中，由于其慢波特性，可以减小环行桥尺寸，而不会影响其传输系数的带宽和幅度。图９即为可弯曲的ＰＢＧ结构和带有该结构的微带环行桥。图１０为部分Ｓ参数，图中粗实线和"＋"线分别为图９（ｂ）的实验和模拟结果，细实线和点划线为参考文献中无ＰＢＧ结构环行器的相应值。从图中可以看出，工作频率从３５ ＧＨｚ移到２７ ＧＨｚ，由此可知，采用ＰＢＧ结构后，微带环行桥的尺寸可减小２０％以上。
６用不同的ＰＢＧ结构实现的双工器［８］ 利用波浪形和锥形ＰＢＧ结构构成的滤波器可实现双工器的功能。图１１是一个工作于１０，１２，１９，２１ ＧＨｚ多波段双工器，其中，图（ｃ）和（ｄ）为其插入损耗和反射系数。
７ＰＢＧ结构可改善共面波导（ＣＰＷ）的性能［３］ ＣＰＷ也是微波集成电路中常用的电路，实际上为了增加其机械强度，常用另外的接地板支撑。构成了导体支撑的共面波导（ＣＢＣＰＷ）。ＣＢＣＰＷ中存在平行板模式，因而大大降低了ＣＰＷ的性能。在ＣＢＣＰＷ的接地板上光刻ＰＢＧ结构，可以抑制由于平行板模式产生的功率泄漏。图１２中给出了光刻ＰＢＧ结构后的ＣＰＷ，并与普通的ＣＰＷ和ＣＢＣＰＷ的Ｓ２１参数进行了比较。从图中可以看出，光刻ＰＢＧ结构后，在ＰＢＧ结构阻带内的泄漏基本上被抑制。
８用ＰＢＧ结构构成平面谐振器［９］ 利用ＰＢＧ结构的滤波特性，还可以很方便地做成多种平面谐振器，如微带线型、共面波导型、共面带线型、槽线型等。这种谐振器设计方便，Ｑ值高，损耗小，而且便于与变容二极管相连，因而可具有很宽的谐振频率调节范围。图１３（ａ）是一种最简单的ＰＢＧ平面谐振器，图１３（ｂ）是模拟和测量结果。该谐振器的有载和无载Ｑ值分别为１４０和２７７５。
９结束语 光子带隙结构由美国ＵＣＬＡ的教授在１９８７年提出，其独特的带阻特性可以通过改变周期结构参数来控制。平面光子带隙结构形式灵活，而且便于通过集成工艺方便地实现，因而引起了广泛的关注。最重要的是，光子带隙结构的出现改变了传统的设计方法，为设计高性能、高集成度的电路提供了新的途径，带来了微波和毫米波集成电路设计思路的一次变革。将平面带隙结构的研究与各种新的集成工艺想结合会使其得到更加广泛的应用，带给微波集成电路更快的发展。 参考文献： ［１］ＲＡＤＩＳＩＣ Ｖ，ＣＯＣＣＩＯＬＩ Ｒ． Ｎｏｖｅｌ ２Ｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｌｉｎｅｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｗａｖｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９８，８（２）：６９－７１． ［２］ＮＥＳＩＣ Ｄ，ＮＥＳＩＣ Ｍ． １Ｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ＰＢＧ ｂａｎｄｇａｐｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｔｃｈｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｐｌａｎｅ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｅｌｓｉｋｓ ｓｅｐｔ． ２００１． ［３］ＹＡＮＧ Ｆ Ｒ，ＭＡ Ｋ Ｐ，ＱＩＡＮ Ｙ Ｘ，ｅｔ ａｌ． Ａ ｕｎｉｐｌａｎａｒ ｃｏｍｐａｃｔ ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐ（ＵＣＰＢＧ）ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，１９９９，４７（８）：１５０９－１５１４． ［４］ＱＩＡＮＧ Ｒ，ＷＡＮＧ Ｙ Ｙ，ＣＨＥＮ Ｄ Ｘ． Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｃａｓｃａｄｅｄ ＰＢＧ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］． Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ，ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍ，２００１，（２）：５１０－５１３． ［５］ＫＩＭ Ｔ，ＳＥＯ Ｃ． Ａ ｎｏｖｅｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｌｏｗｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｏｆ ｗｉｄｅ ｓｔｏｐｂａｎｄ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｗａｖｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０００，１０（１）：１３－１５． ［６］ＨＡＮＧ Ｃ Ｙ，ＲＡＤＩＳＩＣ Ｖ，ＱＩＡＮ Ｙ，ｅｔ ａｌ． Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ ｎｏｖｅｌ ＰＢＧ ｇｒｏｕｎｄ ｐｌａｎｅ ｆｏｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｔｕｎｉｎｇ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ＭＴＴｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，１９９９，５８９－５９２． ［７］ＳＨＵＭ Ｋ Ｍ，ＸＵＥ Ｑ，ＣＨＡＮ Ｃ Ｈ． Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｒｉｎｇ ｈｙｂｒｉｄ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ａ ＰＢＧ ｃｅｌｌ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００１，１１（６）：２５８－２６３． ［８］ＹＵＮ Ｔ Ｙ，ＣＨＡＮＧ Ｋ． Ａ ｎｅｗ ＰＢＧ ｄｉｐｌｅｘｅｒ ｆｏｒ ａ ｍｕｌｔｉｂａｎｄ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ａｎｔｅｎｎａ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］． Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ，ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍ，２００１，（２）：４９０－４９３． ［９］ＹＵＮ Ｔ Ｙ，ＣＨＡＮＧ Ｋ． Ｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ａｎｄ ｖａｒａｃｔｏｒ ｔｕｎｅｄ ｒｅｓｏｎａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ＭＴＴＳ Ｉｎｔ． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐ． Ｄｉｇｅｓｔ Ａｎｎａｈｅｉｍ，ＣＡ，１９９９，１６２９－１６３ | ||||||||||
本文摘自《微纳电子技术》 |
