Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4164
Schuster, Michael
Defect modes in electromagnetic bandgap structures for micro- and millimetre waves
148 S., 2005
Die Erforschung der optischen Eigenschaften von Materialien hat in den letzten Jahren und
Jahrzehnten eine Reihe wichtiger Entwicklungen hervorgebracht, beispielsweise den Laser,
optische Glasfiberkabel und hochpräzise Spektrometer. Im Jahr 1987 schlugen Yablonovich
und John eine neue Möglichkeit vor, die optischen Eigenschaften von Materialien zu
beeinflussen, wonach die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in dielektrischen
Materialien durch eine periodische Strukturierung kontrolliert werden könnte, die eine
Bandstruktur für erlaubte und verbotene elektromagnetische Zustände entstehen lässt, die
sogenannte elektromagnetische Bandlücke". Man fand heraus, dass solche Strukturen neue,
verbesserte Eigenschaften besitzen konnten, welche mit herkömmlicher Behandlung von
Lichtwellen nicht erreichbar waren, so beispielsweise höhere Gütefaktoren, niedrigere
Strahlungsverluste in Wellenleitern, dispersionsfreie Wellenleitung und frequenzselektive
Substrate. Eine weitere Eigenschaft dieser sogenannten electromagnetic bandgap" (EBG)
Materialien ist, dass Ihre Eigenschaften in beliebige Frequenzbereiche skaliert werden können
in dem die Periodizität der Strukturierung des Materials entsprechend verändert wird. Diese
Skalierbarkeit macht sie interessant für mögliche Anwendungen im Frequenzbereich
zwischen Mikrowellen- und optischen Frequenzen, der sogenannten Terahertz-Lücke". Im
Rahmen dieser Arbeit wird die Eignung von EBG-Materialien für mögliche Anwendungen als
integrierte passive Elemente in Schaltkreisen von Mikrowellen- bis hinauf zu
Millimeterwellenfrequenzen untersucht. Dabei wurde die Skalierbarkeit der EBG
Eigenschaften ausgenutzt, die es möglich macht, Strukturen bei niedrigen Frequenzen zu
untersuchen wo Herstellung, Zusammenbau und Messung relativ leicht sind, und die
Ergebnisse in höhere Frequenzbereiche hinaufzuskalieren.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine theoretische Beschreibung des Verhaltens
elektromagnetischer Wellen in periodischen Dielektrika gegeben und die Grundlagen von
elektromagnetischen Bandgap Strukturen werden aus den entsprechenden Lösungen der
Maxwell'schen Gleichungen abgeleitet. Eine Reihe von EBG Strukturen wird vorgestellt und
durch Berechnung Ihrer Bandstruktureigenschaften beschrieben. Weiterhin wird das
Verhalten von Punkt- und Liniendefekten im dielektrischen Gitter untersucht und eine
Schichtstruktur wird vorgestellt, in der ein dreidimensionaler Einschluss der Feldenergie
möglich ist. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Reihe von Herstellungsverfahren für EBG
Strukturen im Bereich von Mikro- bis Millimeterwellen vorgestellt, die im Rahmen der
Arbeit, in Zusammenarbeit mit Partnern hergestellt wurden. Verschiedene
Herstellungsmethoden wie mechanische Behandlung, keramische Formtechniken und
Mikrofabrikationstechniken (Laserbearbeitung und chemisches Ätzen) werden untersucht und
verschiedene Materialsysteme benutzt (Oxidkeramiken, Silizium). Im dritten Teil der Arbeit
werden die simulierten und hergestellten Strukturen bei Frequenzen von 10 bis 100 GHz
experimentell untersucht. Dabei werden zwei und dreidimensionaler Einschluss von Moden,
einstellbare Ankopplungsstärke an Defektmoden sowie reflektionsarme Wellenleitung
untersucht.
In the previous decades, the investigation of the optical properties of materials has lead to a
number of important developments like the laser, optical fibre cables and high precision
spectrometers. In 1987, Yablonovich and John suggested a possibility to tailor the optical
properties of a periodic dielectric material so that the flow of electromagnetic waves could be
controlled by the creation of a band structure for allowed and forbidden states, the so called
"electromagnetic bandgap". It was found out that such structures could exhibit improved
properties that could not be achieved with conventional treatment of light waves, for example
higher quality factors, low radiation losses in sharp bends in waveguides, low dispersion
waveguiding and frequency selective substrates. Another feature of these so-called
"electromagnetic bandgap" (EBG) materials was that their properties could be scaled to an
arbitrary frequency range by rescaling the lattice constant of the dielectric lattice. This
scalability makes them interesting for possible applications in the frequency range in between
the microwave and optical ranges, the so called "Terahertz gap". In the frame of this work, the
suitability of electromagnetic bandgap structures for possible applications as integrated
passive element in circuits from the microwave up to the millimetre wave range has been
investigated. It has been taken advantage from the scalability of the EBG properties, which
makes it possible to investigate structures at low frequencies where fabrication, assembly and
measurement are relatively easy and to scale up the results that have been found.
In the first part of this work, a theoretical description of the behavior of electromagnetic
waves in periodic dielectric media is given, and the basic properties of EBG structures are
derived from the appropriate solutions of Maxwell's equations. Several different EBG lattice
structures are presented, and described by band structure calculations . Furthermore the
behavior of point and line defects in the lattice is investigated, and a slab structure that can
provide a three dimensional confinement is presented. In the second part, a number of
fabrication schemes for EBG structures from the microwave range up to millimetre wave
frequencies are presented, which have been investigated in the frame of this work, in
collaboration with partners. Here different ways of fabrication have been investigated such as
mechanical treatment, moulding techniques and microfabrication techniques (laser machining
and Silicon etching) and different material systems are employed. In the third part of this
work the simulated and fabricated structures have been investigated experimentally at
frequencies of 10, 20, 30 and 100 GHz with respect to a possible application as passive
transmission line elements and high quality factor resonant structures . For frequencies of 10
GHz, it has been shown that in a 2D EBG structure for TM waves the strength of the coupling
to a defect resonance could be tuned and optimised by size variation of adjacent lattice
elements to yield low insertion loss. Furthermore, a broadband waveguiding with little
reflection by line defects with a width of one and three lattice periods could be shown. A three
dimensional confinement of modes has been demonstrated in both simulation and experiment
for a 3D EBG structure with a band gap at 20 GHz. For frequencies around 30 GHz, the
creation of a band gap in a 2D EBG structure that was prepared by a ceramic moulding
technique with a band gap for TM waves has been demonstrated and a resonant cavity mode
with moderate quality factor could be observed. Two different structures with band gaps at
frequencies around 100 GHz were investigated and it was shown that a 2D interconnected
structure could exhibit a band gap for TM waves and provide a high mechanical stability
without the need for a backfilling material. A 2D slab structure could provide a three
dimensional confinement of defect modes by a combination of both band gap guiding and
index guiding. A broadband waveguiding by a line defect mode in this slab structure was
shown, and it was demonstrated that a localised mode in a point defect could act as a high
quality factor cavity in both band pass and band reject configuration.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de