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)陣列來實現(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看，對電磁波入射到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際應(yīng)用前景，除了對其所新的特性進(jìn)行探索研究外，研究對于一些新型電磁材料的簡單、方便和有效的實驗分析方法，在新型材料的設(shè)計和特性分析方面具有重要的實際意義。

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)刑匦裕瑥亩涂梢詫崿F(xiàn)特定的功能要求。

2、測試分析模型

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，對在該結(jié)構(gòu)中加載貼片電阻的情況進(jìn)行研究。對于傳統(tǒng)的Mushroom型EBG周期陣列結(jié)構(gòu)通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以實現(xiàn)對于表面波的不同濾波特性，但是對于空間波由于該類型結(jié)構(gòu)通常呈現(xiàn)電抗特性因而對空間來波的反射較大。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)，則可以通過電阻損耗掉一部分空間來波，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，從而可以通過與固體物理中研究光子帶隙材料(PBG)相類似的方法來對其進(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EBG結(jié)構(gòu)加載集總電阻元件進(jìn)行實測研究。

表1 緊致EBG結(jié)構(gòu)幾何尺寸(單位：mm)

幾何尺寸量值

w7.00

g0.35

r0.50

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。實際制作的測試樣品如圖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。因而在具體實驗中需對實驗裝置進(jìn)行一些改變。從前的波導(dǎo)分析法是通過直接將EBG加載在波導(dǎo)端頭，但是Mushroom型EBG是通過通孔將上、下表面進(jìn)行連接。如果按照原有的測試方式對EBG直接作為波導(dǎo)的端接負(fù)載進(jìn)行測量，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 加工制備的待測樣品

圖4 實驗測試設(shè)備

3、測試結(jié)果分析

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

圖5a .5cm厚度未加載情況下測試結(jié)果

圖5b 1.5cm厚度加載情況下測試結(jié)果

圖5 5cm厚度未加載情況下測試結(jié)果

圖5d .5cm厚z度加載情況下測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看到，對于厚度為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，從實測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，通過對實驗裝置的調(diào)整和分析可以發(fā)現(xiàn)，這一變化是由于實驗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，通過對比測試曲線可看到，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)等因素也會對反射特性存在一定的影響。通過上面的實驗表明，在原有EBG結(jié)構(gòu)中加載電阻會在一定程度上減小反射的幅度。由于上面的實驗在波導(dǎo)腔內(nèi)進(jìn)行測量，因此只需較小的實驗環(huán)境就可以完成。當(dāng)然上面實驗只是通過單一的極化進(jìn)行了分析，如果是實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EBG結(jié)構(gòu)加載的形式實現(xiàn)的電磁吸波覆層實驗方面的一些工作。結(jié)合測試對象的具體情況對波導(dǎo)測量法進(jìn)行了改進(jìn)，并以這種方便、快捷的實驗方法對不同厚度的Mushroom型EBG單向加載結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實驗研究。通過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。