光子晶体及其应用的研究

论文摘要

光子晶体（Photonic Crystal）是一种新型的人工材料,其最显著的特点就是具有光子禁带（Photonic Band-Gap,简称PBG）,频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的,因而具有光子带隙的周期性介电结构就称为光子晶体。近几年,光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。Ansoft HFSS（High FrequencyStructure Simulator）是一个基于有限元素法的三维电磁场分析软件,本文利用该软件HFSS对PBG结构进行仿真分析。本文主要研究了两种光子带隙结构,波导中介质层PBG结构和PBG结构的矩形波导滤波器。本文首先根据PBG结构的特征提出了矩形波导内纵向排列介质层的PBG结构,构建了介质层PBG结构模型,仿真结果证实了这种结构的带阻特性,然后分别讨论分析了不同周期尺寸、周期个数、结构单元尺寸对其形成的阻带特性的影响。本文分析的另一个结构是矩形金属贴片介质层的PBG结构,利用仿真软件构建了模型,仿真结果发现这种特殊的结构具有一定的带通滤波特性,然后分别讨论分析了金属贴片的尺寸、间距变化和介质厚度对其S参数的影响,仿真结果表明调节此滤波器的金属片尺寸和层数可以得到较好的带通特性,如带宽为1.5GHz,相对带宽为3.7%,呈现出较好的滤波特性,加以优化,则可以实现带通滤波器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体概念及其结构
• 1.1.1 光子晶体概念的提出
• 1.1.2 光子晶体的结构
• 1.2 光子晶体的理论研究方法
• 1.3 光子晶体的应用
• 1.4 光子晶体的制作
• 1.5 国内外研究状况
• 1.6 本文主要工作及章节安排
• 第二章 光子晶体基本原理
• 2.1 光子晶体的物理特性
• 2.1.1 光子晶体的周期性结构
• 2.1.2 光子禁带
• 2.1.3 抑制自发辐射（Purcell效应）
• 2.1.4 光子局域
• 2.1.5 偏振特性
• 2.2 光子晶体的基本原理
• 2.2.1 光子晶体的形成条件及其物理机制
• 2.2.2 光子晶体的能带特点
• 第三章 有限元素法
• 3.1 概述
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 有限元素法的基本原理
• 3.1.3 有限元素法的求解过程
• 3.1.4 电磁场方程的有限元素法求解
• 3.2 Ansoft HFSS软件介绍
• 3.2.1 Ansoft HFSS的应用
• 3.2.2 Ansoft HFSS在光子晶体上的应用现状
• 3.2.3 Ansoft HFSS的仿真过程
• 第四章 光子带隙结构的数值分析
• 4.1 概述
• 4.2 矩形波导中介质层 PBG结构的仿真分析
• 4.2.1 PBG结构的设计
• 4.2.2 设计公式的验证
• 4.2.3 PBG结构的阻带特性
• 4.2.3.1 周期长度的变化对 PBG结构阻带特性的影响
• 4.2.3.2 周期个数对 PBG结构阻带特性的影响
• 4.2.3.3 PBG结构单元尺寸的影响
• 4.2.4 PBG结构缺陷的谐振特性
• 4.2.4.1 PBG反射器长度（周期单元个数）对谐振特性的影响
• 4.2.4.2 PBG结构单元对谐振特性的影响
• 4.3 PBG结构的矩形波导滤波器
• 4.3.1 结构模型的建立
• 4.3.2 带通滤波特性的分析
• 4.3.3 PBG结构对滤波特性的影响
• 4.3.3.1 单片金属片尺寸的影响
• 4.3.3.2 介质层厚度 D的影响
• 4.3.3.3 金属片纵向间距c的影响
• 4.3.3.4 横向间距d的影响
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果