基于DGS結構的超寬帶高通濾波器設計

0 引言

在微波集成電路中，為了抑制低頻雜散，通常要使用小型化的高通濾波器，對于微波集成電路來(lái)說(shuō)，微波高通濾波器一般有兩大類(lèi)設計方法，第一類(lèi)是用集中或半集中的元件實(shí)現，高通濾波器的衰減特性由相應的低通原型的衰減特性經(jīng)過(guò)適當的變換得出。經(jīng)過(guò)變換之后，低通原型電路就成為由串聯(lián)電容和并聯(lián)電感構成的集中元件高通濾波器。在微波集成電路中，可以用交指電容器或薄膜電容器去實(shí)現集中串聯(lián)的電容，用并聯(lián)的短路短截線(xiàn)或平面螺旋電感去實(shí)現集中的并聯(lián)電感，它的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，尺寸較小。但是，在集中參數電路中，這些電感必須靠得很近，這就不可避免地要產(chǎn)生雜散耦合，因此集中元件的高通濾波器很難在微波集成電路中實(shí)現。構成高通濾波器的第二類(lèi)方法是用分布參數來(lái)實(shí)現，由于傳輸線(xiàn)所固有的多重諧振特性，它必然存在寄生通頻帶，并只能構成帶通特性。這種方法實(shí)質(zhì)上是用寬帶帶通濾波器去充任高通濾波器，即贗高通濾波器。但是對于超寬帶的高通濾波器，這種方法一般結構比較復雜，對工藝要求很高。

本文主要針對第二類(lèi)方法，利用DGS結構來(lái)設計結構簡(jiǎn)單，尺寸較小的超寬帶微波高通濾波器。

1 DGS結構簡(jiǎn)介

1987年Yablonovitch E和John S提出周期光子帶隙結構(即PBG)。它在接地板上腐蝕出由一定幾何圖形的單元組成的周期性陣列結構，用以改變襯底的有效介電常數分布，從而改變了傳輸線(xiàn)的分布參數模型，在一定頻段內傳播模式也隨之改變，從而具有帶隙特性。PBG開(kāi)創(chuàng )了在介質(zhì)板表面和接地板上同時(shí)兼顧的設計概念，合理地開(kāi)發(fā)接地板，極大提高了設計靈活性。但是，由于PBG結構模型較復雜，參數也較繁雜，所以在實(shí)踐應用上受到了一定限制。

1999年，韓國學(xué)者Jong-Im Park，Chul-Soo Kim等人提出一種啞鈴型缺陷地面結構(即DGS)，如圖1所示，LC電路如圖2所示。

它主要也是在微帶，共面波導等傳輸線(xiàn)的接地板上腐蝕出具有一定幾何圖形的單元，但DGS可以是周期或非周期的，即一個(gè)DGS單元就可以在某頻點(diǎn)上諧振，具有較好的帶隙特性，且等效電路提取也相對容易。

正是由于DGS具有許多獨特的性能，例如單極點(diǎn)低通特性，慢波效應，具有較高特征阻抗等，使得對DGS的研究成為微波電路設計中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)對DGS結構的研究層出不窮，在應用方面主要是設計簡(jiǎn)單小型化的濾波器，加入DGS改善器件的電器性能，提高天線(xiàn)性能，抑制諧波，減小電路尺寸等。

2 DGS結構對耦合線(xiàn)的影響

兩根微帶線(xiàn)相互隔開(kāi)距離D，平行排列構成耦合微帶雙線(xiàn)。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，令兩條微帶線(xiàn)具有相同參量，具有相同的長(cháng)度L，寬度W。如圖3所示。

由于在1，4端口上的任意一對輸入電壓U1，U3總可以分解為偶對稱(chēng)激勵和奇對稱(chēng)激勵，使U1等于兩分量之和，U3等于兩分量之差。將耦合微帶線(xiàn)分成奇模和偶模的工作狀態(tài)后，再分別求得奇偶模參量及它們與耦合參量間的關(guān)系。

從定向耦合器的角度來(lái)看，2端口為直通端口，3端口為耦合輸出，4端口為隔離端口。

關(guān)于耦合線(xiàn)理論本文不再贅述，這里僅就耦合的方向性給出定性的解釋?zhuān)鐖D4所示。當導線(xiàn)1，2中有交變電流i1流過(guò)時(shí)，3，4線(xiàn)存在耦合過(guò)來(lái)的能量，此能量既通過(guò)電場(chǎng)(以耦合電容表示)又通過(guò)磁場(chǎng)(以耦合電感表示)耦合過(guò)來(lái)。通過(guò)Cm的耦合，在傳輸線(xiàn)3，4中引起的電流為ic3，及ic4同時(shí)由于i1的交變磁場(chǎng)的作用，在3，4上感應有電流iL。根據電磁感應定律，感應電流iL的方向與i1的方向相反。若能量由1端口輸入，ic3與iL方向相同，所以3端口為耦合輸出。在4端口因為電耦合電流iC4與磁耦合電流iL的作用相反而能量互相抵消，即4端口為隔離端口。

對于均勻介質(zhì)傳輸TEM波而言，奇模，偶模相速相等，而對于介質(zhì)非均勻的實(shí)際微帶線(xiàn)情況，由于介質(zhì)基片對奇偶模的電場(chǎng)分布具有不同的影響，使奇偶模兩種情況的有效介電常數或相速不等，嚴格地說(shuō)，不能搬用由均勻介質(zhì)情況推出的結論，但是在工程實(shí)際中，在有效介電常數取兩者平均值后，仍可近似地采用均勻介質(zhì)的有關(guān)結論。

利用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS建立耦合雙線(xiàn)模型，如圖5所示。其中，D=1 mm，W=1 mm，L=20 mm，基板h=0.254 mm，εr=2.2。

其S參數仿真結果如圖6所示。

當間隔距離D=1mm時(shí)，3端口的耦合輸出在DC～15 GHz范圍內不大于-20 dB。要增加兩條微帶線(xiàn)的耦合度，一般要求減小間隔距離D。但是要達到緊耦合，對加工工藝的要求將會(huì )非常高。

在耦合微帶線(xiàn)下方加載DGS結構，通過(guò)改變耦合微帶線(xiàn)介質(zhì)的有效介電常數的分布，從而在微帶下方缺陷地面的“槽”將能量耦合過(guò)去。加DGS結構的耦合雙線(xiàn)如圖7所示，HFSS模型如圖8所示。

其S13與S14參數仿真結果如圖9，圖10所示。

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