Моделирование плоской фотонной структуры ширины запрещенной зоны

Открыть скрипт

В этом примере показано, как создать и анализировать микроволновые плоские структуры Фотонной ширины запрещенной зоны (PBG) в Antenna Toolbox™. Фотонные структуры Ширины запрещенной зоны состоят из периодической решетки, которая обеспечивает эффективное и гибкое управление распространения Электромагнитной волны в один или несколько направлений. Микроволновые плоские структуры PBG были сначала введены около года 2000 профессором Итохом и его группой. Эти структуры создают полосу задерживания по определенному частотному диапазону и легки реализовать путем сокращения периодических шаблонов на металлической наземной плоскости.

Спроектируйте частоту и системные параметры

Проект, показанный в этом примере, эквивалентен в [1]. Обычная микрополосковая линия на 50 Ом спроектирована на RT/дюроиде 6 010 подложек с диэлектрической постоянной 10,5 и толщина на 25 миллиметров. Ширина полосы составляет 27 миллиметров. Период решетки на спине сохранен на уровне 200 миллиметров. Полный размер платы PCB является 6 периодами 9 периодами.

period = 200*1e-3*0.0254; % period = 200mil;

boardLength = period*6;
boardWidth  = period*9;
boardThick  = 25*1e-3*0.0254; % board is 25mil thick
boardPlane = antenna.Rectangle('Length',boardLength,...
    'Width',boardWidth);

sub = dielectric('Name','Duroid6010','EpsilonR',10.5,...
    'Thickness',boardThick);

stripWidth = 27*1e-3*0.0254;% 27mil;
stripLength = boardWidth;

strip = antenna.Rectangle('Length',stripWidth,...
    'Width',stripLength,'Center',[0,0]);

В нашем первом исследовании круг с радиусом 25 миллиметров используется в качестве модульной формы травления на земле. Решетка размера 3 9 вытравливается от наземной плоскости. Созданную наземную плоскость показывают ниже. Позже, мы также изучаем производительность микрополосковой линии с различными кругами с большим радиусом, радиус равняется 50 миллиметрам и 90 миллиметрам.

gnd = boardPlane;

radius = 25*1e-3*0.0254;  % hole radius = 25mil;

posStart = [-period, -stripLength/2+period/2];

for i = 1:3
    for j =1:9

        pos = posStart+[(i-1)*period,(j-1)*period];
        circle = antenna.Circle('Radius',radius,...
            'Center',pos,'NumPoints',16);
        gnd = gnd - circle;

    end
end

figure;
show(gnd);
axis equal;

Здесь мы комбинируем лучшую микрополосковую линию, подложку и вытравленную наземную плоскость в объект pcbStack для запутывающего и полного анализа волны. Созданную геометрию финала показывают ниже:

obj = pcbStack('Name','2D Bandgap Structure');
obj.BoardShape = boardPlane;
obj.BoardThickness = boardThick;
obj.Layers = {strip,sub,gnd};
obj.FeedLocations = [0,-boardWidth/2,1,3;0,boardWidth/2,1,3];
obj.FeedDiameter = stripWidth/2;
figure;
show(obj);
axis equal;
title(obj.Name);

Мы вручную поймали в сети структуру с помощью ручного режима mesh в тулбоксе, чтобы лучше управлять выходными треугольниками и тетраэдрами.

figure;
mesh(obj,'MaxEdgeLength',12*stripWidth,...
    'MinEdgeLength',stripWidth,'GrowthRate',0.85);

Для того, чтобы наблюдать эффект ширины запрещенной зоны, мы вычисляем S-параметры для системы с 2 портами. Эффект ширины запрещенной зоны показывают в параметре S21. В анализе мы вычислили S-параметры от 2 ГГц до 16 ГГц, и постройте S21 и S11 для трех различных круговых радиусов. Результаты для всего анализа s-параметра были предварительно вычислены и сохранены в MAT-файле.

freq= linspace(2e9,16e9,141);

sparam = sparameters(obj,freq);

figure;

rfplot(sparam,1,1,'-o');

hold on;

rfplot(sparam,2,1,'--o');

load('atx_bandgap_data.mat','sparam_25mil');
load('atx_bandgap_data.mat','sparam_50mil');
load('atx_bandgap_data.mat','sparam_90mil');
figure;
subplot(3,1,1);
rfplot(sparam_25mil,1,1,'-');
text(4e9,-40,'Radius = 25 mil', 'FontSize',8, 'Color', 'm')
hold on;
rfplot(sparam_25mil,2,1,'--');
legend off;
subplot(3,1,2);
rfplot(sparam_50mil,1,1,'-');
text(4e9,-40,'Radius = 50 mil', 'FontSize',8, 'Color', 'm')
hold on;
rfplot(sparam_50mil,2,1,'--');
legend off;
subplot(3,1,3);
rfplot(sparam_90mil,1,1,'-');
text(4e9,-40,'Radius= 90 mil', 'FontSize',8, 'Color', 'm')
hold on;
rfplot(sparam_90mil,2,1,'--');

От расчетных s-параметров ясно замечено, что существует полоса задерживания приблизительно 11 ГГц, который преобразует соответствующую линию электропередачи на 50 Ом в заграждающий фильтр. Путем варьирования и т.д. может быть понята вытравливающаяся форма на groundplane, различные структуры фильтра, такие как низкая передача или высокая передача.

Структура микрополосковой линии поворота на 90 градусов

Как показано ниже, компенсированный прямоугольный поворот микрополосковой линии с шаблонным groundplane создается. Вытравленные круги на наземной плоскости следуют за прямоугольным поворотом.

bendboardLength = period*9;
bendboardWidth  = period*9;
boardThick  = 25*1e-3*0.0254; % board is 25mil thick
bendboardPlane = antenna.Rectangle('Length',bendboardLength,'Width',bendboardWidth);
bendgnd = bendboardPlane;

stripLength = bendboardWidth/2;
strip_1 = antenna.Rectangle('Length',stripLength,'Width',stripWidth,'Center',[stripLength/2,0]);
strip_2 = antenna.Rectangle('Length',stripWidth,'Width',stripLength+stripWidth/2,'Center',[0,-stripLength/2+stripWidth/4]);

bendstrip   = strip_1+strip_2;

radius = 50*1e-3*0.0254;  % hole radius = 50mil;

posStart = [-period, -stripLength+period/2];

pos = zeros(27,2);

for i = 1:3
    for j =1:6

        pos = posStart+[(i-1)*period,(j-1)*period];
        circle = antenna.Circle('Radius',radius,'Center',pos,'NumPoints',15);
        bendgnd = bendgnd - circle;

    end
end

posStart = [period, -period];

for i = 1:3
    for j = 1:3
        pos = posStart+[(i)*period,(j-1)*period];
        circle = antenna.Circle('Radius',radius,'Center',pos);
        bendgnd = bendgnd - circle;
    end
end

figure;
show(bendgnd);
axis equal;

Создание стека PCB

Создайте стек слоя путем организации слоев PCB, установки местоположений канала для портов.

bendobj = pcbStack('Name','2D Bandgap Bend Structure');
bendobj.BoardShape = bendboardPlane;
bendobj.BoardThickness = boardThick;
bendobj.Layers = {bendstrip,sub,bendgnd};
bendobj.FeedLocations = [0,-bendboardLength/2,1,3;bendboardWidth/2,0,1,3];
bendobj.FeedDiameter = stripWidth/2;
figure;
show(bendobj);
axis equal;
title(bendobj.Name);

S-параметры для структуры вычисляются. Результаты анализа выдерживают сравнение с измеренными результатами, о которых сообщают в [1], и свойства PBG структуры получены эффективно. Отмечено здесь, что анализ предсказывает почти совершенное отражение в полосе задерживания, в то время как измеренные результаты, показанные на Рис. 3 [1], показывают присутствие механизма потерь, который улучшает подобранность импедансов немного.

freq= linspace(2e9,16e9,141);

sparam = sparameters(obj,freq);

figure;

rfplot(sparam,1,1,'-o');

hold on;

rfplot(sparam,2,1,'--o');

load('atx_bandgap_data.mat','sparam_bend_50mil');
figure;
rfplot(sparam_bend_50mil,1,1,'-');
hold on;
rfplot(sparam_bend_50mil,2,1,'--');

Заключение

Результат, полученный для трех проектов, соответствует хорошо результатом, опубликованным в [1].

Ссылка

[1] В. Рэдизик, И. Цян, Р. Коккайоли и Т. Итох, "Роман 2-D Фотонная Структура Запрещенной зоны для Микрополосковых Линий", Микроволна IEEE и Ведомые Буквы Волны, издание 8, № 2, 1998;

Документация