基于DGS結(jié)構(gòu)的超寬帶高通濾波器設(shè)計(jì)

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(duì)于微波集成電路來說，微波高通濾波器一般有兩大類設(shè)計(jì)方法，第一類是用集中或半集中的元件實(shí)現(xiàn)，高通濾波器的衰減特性由相應(yīng)的低通原型的衰減特性經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q得出。經(jīng)過變換之后，低通原型電路就成為由串聯(lián)電容和并聯(lián)電感構(gòu)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(xiàn)集中串聯(lián)的電容，用并聯(lián)的短路短截線或平面螺旋電感去實(shí)現(xiàn)集中的并聯(lián)電感，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸較小。但是，在集中參數(shù)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(xiàn)。構(gòu)成高通濾波器的第二類方法是用分布參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，由于傳輸線所固有的多重諧振特性，它必然存在寄生通頻帶，并只能構(gòu)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(duì)于超寬帶的高通濾波器，這種方法一般結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)工藝要求很高。

本文主要針對(duì)第二類方法，利用DGS結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸較小的超寬帶微波高通濾波器。

1 DGS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1987年Yablonovitch E和John S提出周期光子帶隙結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)，用以改變襯底的有效介電常數(shù)分布，從而改變了傳輸線的分布參數(shù)模型，在一定頻段內(nèi)傳播模式也隨之改變，從而具有帶隙特性。PBG開創(chuàng)了在介質(zhì)板表面和接地板上同時(shí)兼顧的設(shè)計(jì)概念，合理地開發(fā)接地板，極大提高了設(shè)計(jì)靈活性。但是，由于PBG結(jié)構(gòu)模型較復(fù)雜，參數(shù)也較繁雜，所以在實(shí)踐應(yīng)用上受到了一定限制。

1999年，韓國(guó)學(xué)者Jong-Im Park，Chul-Soo Kim等人提出一種啞鈴型缺陷地面結(jié)構(gòu)(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(dǎo)等傳輸線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(duì)容易。

正是由于DGS具有許多獨(dú)特的性能，例如單極點(diǎn)低通特性，慢波效應(yīng)，具有較高特征阻抗等，使得對(duì)DGS的研究成為微波電路設(shè)計(jì)中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。近年來對(duì)DGS結(jié)構(gòu)的研究層出不窮，在應(yīng)用方面主要是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單小型化的濾波器，加入DGS改善器件的電器性能，提高天線性能，抑制諧波，減小電路尺寸等。

2 DGS結(jié)構(gòu)對(duì)耦合線的影響

兩根微帶線相互隔開距離D，平行排列構(gòu)成耦合微帶雙線。為簡(jiǎn)化問題，令兩條微帶線具有相同參量，具有相同的長(zhǎng)度L，寬度W。如圖3所示。

由于在1，4端口上的任意一對(duì)輸入電壓U1，U3總可以分解為偶對(duì)稱激勵(lì)和奇對(duì)稱激勵(lì)，使U1等于兩分量之和，U3等于兩分量之差。將耦合微帶線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，如圖4所示。當(dāng)導(dǎo)線1，2中有交變電流i1流過時(shí)，3，4線存在耦合過來的能量，此能量既通過電場(chǎng)(以耦合電容表示)又通過磁場(chǎng)(以耦合電感表示)耦合過來。通過Cm的耦合，在傳輸線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(yīng)有電流iL。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)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?yàn)殡婑詈想娏鱥C4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(duì)于均勻介質(zhì)傳輸TEM波而言，奇模，偶模相速相等，而對(duì)于介質(zhì)非均勻的實(shí)際微帶線情況，由于介質(zhì)基片對(duì)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(shù)或相速不等，嚴(yán)格地說，不能搬用由均勻介質(zhì)情況推出的結(jié)論，但是在工程實(shí)際中，在有效介電常數(shù)取兩者平均值后，仍可近似地采用均勻介質(zhì)的有關(guān)結(jié)論。

利用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS建立耦合雙線模型，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(shù)仿真結(jié)果如圖6所示。

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

在耦合微帶線下方加載DGS結(jié)構(gòu)，通過改變耦合微帶線介質(zhì)的有效介電常數(shù)的分布，從而在微帶下方缺陷地面的“槽”將能量耦合過去。加DGS結(jié)構(gòu)的耦合雙線如圖7所示，HFSS模型如圖8所示。

其S13與S14參數(shù)仿真結(jié)果如圖9，圖10所示。

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