近年来，光子晶体因其对电磁波特殊的操控能力引起了人们的广泛兴趣。 基于光子晶体概念的光学器件已经可以对电磁波在其中的传播方向、传播速度、 能量分布以及色散特性等方便地进行控制。而借助于成熟的制备加工工艺，光 子晶体的概念被迅速引申到微波波段，本文中主要研究的微带光子晶体就是光 子晶体在微波波段的一个重要研究方向。微带光子晶体具备许多传统光子晶体 所没有的特点，如，可通过控制微带器件中的分布参数对折射率的空间分布方 便地进行调控、双导体结构可为器件提供多种引入周期性结构的方式、波导的 连通性可以方便地进行改变等等。本论文中，我们结合这些特性对微带光子晶 体及其中局域模式进行了较为深入的研究，提出了多种高性能的微波器件，并 通过电磁场数值仿真以及微波实验对这些原理和器件进行了验证。 论文第二章中，我们主要研究了波导连通性的改变对于光子晶体缺陷模的 影响，首次提出了一种具有分枝型结构的微带光子晶体缺陷，其最大的特点是， 以其设计的多通道滤波器的体积将不再随通道数的增加而变大。我们知道，传 统的多通道滤波器需要通过增加缺陷的长度或者缺陷的个数来实现多通道滤波 效应。这样，当通道个数较多时器件的体积将迅速增大。而通过引入分枝型缺 陷，即在缺陷区域引入对应于不同谐振频率的多条微带路径，可以使得禁带中 通讯频道的个数不再与光子晶体中缺陷的个数相关联，而是由同一缺陷区域微 带通道的个数决定。因此，这种基于分枝型缺陷的多通道滤波器可以有效地减 小器件的体积。数值仿真和微波实验都对这一效应进行了验证。另外，通过电 路仿真，我们还设计了一种具有分枝型结构，并且含有左手材料的微带多通道 滤波器，进一步减小了器件的体积，优化了器件的性能。 论文第三章中，我们提出可以将微带光子晶体缺陷作为一种有效高度色散 材料，将其与传统微带线谐振器相结合可以得到一种高效的微带光子晶体谐振 器，其品质因子的增加非常迅速而其透射效率的下降却十分缓慢。文中通过数 值仿真说明了将微带光子晶体缺陷作为一种有效高度色散材料的可行性，并进 一步指出其色散特性可以通过简单地改变结构参数来进行控制。将这种有效材 料与传统的微带线谐振器相结合得到的复合型微带谐振器可以有效的减小谐振 峰的线宽，其品质因子也可以由其结构参数简单控制。数值仿真和微波实验的 结果都说明：复合型微带谐振器品质因子的增长速度远远高于传统的微带线谐 振器，而与此同时其谐振峰透射率的下降十分缓慢。这提示我们，通过控制人 工结构的色散特性，而不是直接采用具有高度色散的自然材料，可能为提高固 态器件的性能提供一个新的途径。另外，为减小由谐振腔边界处电磁场的辐射 与散射而造成的能量损失，我们还对这种基于有效高度色散材料的微带光子晶 体谐振器进行了进一步的优化，从而使得其品质因子得到再次提高。 论文第四章中，我们首先介绍了一种基于光子晶体局域模的微带耦合器。 光子晶体局域模对于电磁波具有很强的束缚作用，可以将电磁能量约束在一个 很小的区域中。将其中高度局域的电磁能量通过另一条微带线进行耦合，可以 得到更高的耦合效率。实验与仿真结果都表明，与传统的微带线滤波器相比， 基于光子晶体局域模的微带耦合器具有三方面的优势：更高的耦合效率、更小 的体积以及频率选择性。其次，我们还对以这种元件作为基础设计波分复用器 件的可能作了说明，并且指出了在这方面今后工作的可能方向。而仿真结果说 明，应用了左手材料的微带波分复用器还可以有效地抑制信号之间的相互串扰。 关键词：光子晶体，微带线，多通道，谐振器，品质因子，耦合器，左手材料