蕈狀結構

蕈狀結構(mushroom structure)為一種很特別的後設材料，是由上層金屬片(蕈傘)、

中間層接地的金屬棒(蕈柄)與下層的接地金屬面構成的，如圖2-8所示，為D. Sievenpiper 於1999年所提出的[14][15]，它除了擁有前述左右手傳輸線特性之外，在其它微波領域 也擁有令人驚豔的性質，如人造磁導(artificial magnetic conductor, AMC)以及電磁帶隙 (electromagnetic band-gap, EBG)等，下述將針對這兩大性質作深入探討。

Metal patch

Ground plane

Via

(a) (b)

圖2-8 蕈狀結構(a)俯視圖(b)電路單元

2.5.1 人造磁導特性

完美電導(perfect electrical conductor, PEC)與完美磁導(perfect magnetic conductor, PMC)為對偶關係，PEC具有磁通量連續與切線電場為零之特性，用常見之高導電係數金 屬即可實現，但自然界的PMC卻難以尋覓，大多需要利用人造而成的特殊結構來實現，

而蕈狀結構即為其中一例。根據D. Sievenpiper所提出的論點，他認為蕈狀結構的AMC 電路模型為一並聯LC共振電路，如圖2-9，兩個蕈狀結構相鄰的金屬片之間形成等效電 容C，而兩個蕈狀結構的金屬棒和接地面的迴路形成等效電感L ，當 1/ LC 時，正 向入射波看進去的阻抗為無限大。

C L

Z



C L

圖2-9 AMC之等效電路模型

不過此論點之模型已被後人所修正，在文獻[16]中，H. Mosallaei將蕈狀結構的接地 金屬棒省略其卻可得到相同的AMC特性，直接證明D. Sievenpiper所認為的等效電感之成 因是錯誤的，H. Mosallaei也提出了新的解釋，他認為等效LC電路中的電感應為由金屬 地走了一小段傳輸線距離，如圖2-10中的基板厚度d，所等效而成的電感值，文獻[17]

也驗證了上述理論。

C L

Z



C



圖2-10 AMC等效電路之修正模型

2.5.2 電磁帶隙特性

D. Sievenpiper當時認為AMC與EBG會發生於同一頻段上，這論點也被後來的一些研 究團隊推翻[18][19]，發現AMC與EBG操作頻率並不會落在同一個頻段上，而目前蕈狀 結構之EBG特性大概可分為兩種，第一種是用以抑制表面波，另一種則是用以壓抑傳輸 線行波，此需額外與微帶線作結合。

蕈狀結構對於表面波的EBG特性，最典型的應用即運用於微帶平面天線(microstrip patch antenna)，微帶平面天線常因為表面波的邊緣輻射效應，導致天線之輻射後波瓣 (back lobe)過大，若採用蕈狀結構之EBG特性將表面波抑制掉，將可有效減小輻射後波 瓣，提升天線之指向性。

蕈狀結構對於表面波的EBG頻段的量測方法，D. Sievenpiper當時也提供了一項作法 [14]，他利用兩組同軸電纜接上微探針天線作為發射與接收端，將其置於待測面兩端，

使微探針天線貼近待測面，如圖2-11(a)所示。當能量由天線發射至另一接收天線時，接 收天線將會收到兩種經不同路徑而來的能量，一種是發射天線在空間中傳播的輻射能 量，另一種則是發射天線藉由表面波的形式耦合傳遞至接收天線的能量。而待測面之 EBG特性將抑制表面波，故在圖2-11(b)所量測到的透射係數(S21)之波谷，即這個待測面 的能量帶隙(band gap)，EBG頻段之量測即可完成。

(a) (b) 圖2-11 表面波之EBG特性(a)量測示意圖(b)量測結果

(圖2-11 取材自文獻[14])

蕈狀結構對於傳輸線行波之EBG特性，其架構最早由中國清華大學的研究團隊所提 出的[20]，為蕈狀結構平面結合懸置微帶線所組成，如圖2-12。原先他們目的是為了簡 化傳統平面波EBG特性之量測方法而構想出的，由圖2-13之量測結果也較易於辨認出 EBG頻段，但實際上他們量錯了對象，根據文獻[21]，其所量測到的EBG特性應為抑制 傳輸線行波，並非表面波之EBG頻段，因為其所量測到的EBG頻段會隨著懸置微帶線改 變而變動，這是不合理的，故此懸置微帶線應該與EBG成因息息相關，不可僅將其視為 作輔助量測所用之工具，而此EBG特性，我們將其稱為蕈狀結構結合懸置微帶線之EBG 特性。

圖2-12 蕈狀結構結合懸置微帶線結構(a)俯視圖(b)剖面圖

圖2-13 蕈狀結構結合懸置微帶線之量測圖 (圖 2-13 取材自文獻[20])

雖然這種蕈狀結構結合懸置微帶線的量測方法無法取代傳統表面波 EBG 的量測方 式，但仍深具研究價值，本論文第二部份將對於此架構作更深探討，並改良文獻[21]中 的結構，提出新型蕈狀結構，最後運用其特殊特性而設計出新型微波電路。