[发明专利]用于高阻抗及慢波应用的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置

说明书

本发明是关于一种用于高阻抗及慢波应用的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置。

波动方程式在周期结构装置(periodical structure)的通带(bandpass)及止带(band stop)的特性已广泛地被使用在半导体及无线电通讯领域上。在固态物理中因结晶体的周期结构装置形成各式各样的能阶带，进而形成各种有趣的应用，如光电组件的雷射二极管，高速微波/毫米波的电子组件，如天线、滤波器、光栅(optical grating)等。近年来以电磁波为基础所设计的周期组件亦不断被开发出来，其频谱可从微波一直延伸至光波波段。    

并行于上述以电磁波为基础所开发的周期组件，一种利用多层印刷电路板(PCB)来制作的选频表面(frequency selective surface，FSS)在过去30年间也逐渐成熟地应用在天线系统。将周期结构装置，通常是利用1/2波长的孔径(aperture)或间距(pitch)的金属组件排列成一个二度空间的周期数组，经由多层印刷电路板制程，印在介质基板(dielectric substrate)上，可用来选择性地反射或透射电磁波信号，由于多层印刷电路板制程是当今微波及微电子工程最常引用的制造技术，有许多新的周期结构装置及应用即利用此项技术来实现。此外，利用印刷电路板制造的选频表面可用在电磁干扰(EMI)的防止、毫米波雷达影像、光电开关(High-Q Switch)等。

Te-Kao Wu在美国专利案号5,497,169揭示如图1的选频表面设计，方形回路(square-loop)的全周长约为一个波长，藉由适当的设计，横电波(TE)及横磁波(TM)入射波在相当广泛(0～40°)的入射角间得以接近无损耗地穿透(约8GHz)及反射(约14GHz)于不同频率。Rosen在美国专利案号4785310揭示另一种选频表面设计，在矩形回路(rectangular loop)内加上一电容，如图2所示，由201及202金属线形成一边际耦合电容(edge-coupled capacitor)，此电容和连接其两端周围的矩形回路形成第一低频LC并联共振器。此时整个周期结构装置的金属表面呈极高阻抗状态，入射的电磁波将被全反射，且保持原来相角，频率约12 GHz。当频率升高后，上述201及202所形成的电容呈短路状态，整个矩形回路形成一个等效电感，而周期结构装置的单元细胞(cell)与单元细胞之间的电容耦合及此等效电感形成串联共振的低阻抗状态，于是入射的电磁波得以穿透，频率约14GHz。

上述两个实例的穿透及反射频率的相对高低位置正好相反。根据Rosen所揭示者，借着周期结构装置单元细胞内部增加的电容，将反射状态从高频14GHz(Te-Kao Wu所揭示者)移至较低频的12GHz，且同时形成一个并联共振电路。类似的观念也出现在与选频表面几乎完全不同用途的周期结构装置上。Sievenpiper等人揭示的高阻抗表面(high impedance surface，HIS)，藉由多层电路板制作方式，利用多层板金属间所形成的金属—绝缘体—金属(metal-insulator-metal，MIM)电容来增加周期结构装置单元细胞内部的电容，并利用多层电路板的通路孔(via hole)至最底面的金属面所形成的电感，组成一个并联的共振腔。如图3所示，层一与层二所形成的周期性的金属—绝缘体—金属(MIM)电容，如10-30、30-50、50-70、及70-90之间所形成的电容，其电容值与这两层金属间的介质厚度成反比。因此，由20、40、60、80、100等通路孔所形成的电感在相当小的尺寸下，能和上述电容形成并联共振且其共振频率得以很快地下降，而不须用太大空间。