基于DGS結構的超寬帶高通濾波器設計

作者：時間：2012-10-19 來源：網絡

加入技術交流群
- 掃碼加入
  和技術大咖面對面交流
  海量資料庫查詢

0 引言

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/185636.htm

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說，微波高通濾波器一般有兩大類設計方法，第一類是用集中或半集中的元件實現(xiàn)，高通濾波器的衰減特性由相應的低通原型的衰減特性經過適當?shù)淖儞Q得出。經過變換之后，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現(xiàn)集中的并聯(lián)電感，它的優(yōu)點是結構簡單，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現(xiàn)。構成高通濾波器的第二類方法是用分布參數(shù)來實現(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，并只能構成帶通特性。這種方法實質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方法，利用DGS結構來設計結構簡單，尺寸較小的超寬帶微波高通濾波器。

1 DGS結構簡介

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(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)了在介質板表面和接地板上同時兼顧的設計概念，合理地開發(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(shù)也較繁雜，所以在實踐應用上受到了一定限制。

1999年，韓國學者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DGS單元就可以在某頻點上諧振，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新的研究熱點。近年來對DGS結構的研究層出不窮，在應用方面主要是設計簡單小型化的濾波器，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結構對耦合線的影響

兩根微帶線相互隔開距離D，平行排列構成耦合微帶雙線。為簡化問題，令兩條微帶線具有相同參量，具有相同的長度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激勵和奇對稱激勵，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。當導線1，2中有交變電流i1流過時，3，4線存在耦合過來的能量，此能量既通過電場(以耦合電容表示)又通過磁場(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同時由于i1的交變磁場的作用，在3，4上感應有電流iL。根據(jù)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。

對于均勻介質傳輸TEM波而言，奇模，偶模相速相等，而對于介質非均勻的實際微帶線情況，由于介質基片對奇偶模的電場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，嚴格地說，不能搬用由均勻介質情況推出的結論，但是在工程實際中，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的有關結論。

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。