蛇型DGS微带线频率特性的分析及应用研究

发布时间：2016-05-06 07:41

1 绪论

1.1 论文的选题背景及意义
近几年来，全球通信技术的迅速发展，使得无线通信在现代通信领域占具着主导地位，并且得到快速发展和广泛应用。随着无线通信技术的发展，与其相关的科学领域也越来越受到学术界的重视，如无线传输技术、计算电磁学、微波有源器件以及电磁带隙结构等，同时许多新的通信系统如卫星导航、无线电视、移动通信以及雷达侦查等也随之诞生，另一方面，电子战的出现使得无线通信在军事领域得到大力的发展，其应用前景和发展潜力是毋庸置疑的，无线通信系统性能的好坏直接决定着战争的成败。在现代社会发展的大环境下，通信专用集成电路的设计能力直接决定着无线通信技术核心竞争力。随着高科技集成电路技术和先进设计方案的不断革新和改进，便携式、小型化的通信设备在无线通信系统得到广泛的应用与发展，其中微波集成电路的设计是组成无线通信系统的核心[1-4]。 在无线通信系统应用领域不断延伸的同时，必须运用先进的技术来对微波频段资源进行有效的整合，而微波滤波器是频率选择的主要器件，，其直接决定有限频带资源的利用能力，同时也是无线技术发展关键，所以需要设计出性能更优的微波滤波器，目前无线通信领域的重要任务之一是研究高质量、小型化的微波滤波器[5-7]。 然而，仅仅对介质板表面元件的开发及设计阻碍了微波电路的发展。虽然三维微波集成电路技术使有限的微波集成电路结构得到了极大的开发和利用，但是仍然存在一些问题，比如缺少对电路接地金属板的利用及开发。 DGS 是将周期或非周期的形状蚀刻到微带线的金属接地板上，而形成的一种新型结构，进而导致电路底部材料的有效介电常数发生变化，也就是使传输线的等效电容和电感值发生变化，从而使微带传输线呈现出滤波特性、漫波特性和高特性阻抗[8,9]。其中DGS 微带线的滤波特性可通过简单的 LC 等效电路与电磁场数值计算相结合的方法进行理论分析和计算，此外 DGS 结构的电路面积较小，特别适于集成化要求高的场合。因此，DGS 结构在微波电路小型化和电路性能提高等方面具有较大的优势。 
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1.2 国内外研究现状
DGS 结构是上世纪末由 Park 教授在光子带隙结构上提出的。DGS 结构吸引国内外越来越多的学者对其传输特性进行了深入地研究与分析，已成为无线通信领域研究的热门课题。2000 年，Park 等人成功将 DGS 结构引入到超宽带低通滤波器和带通滤波器的设计中并取得良好的滤波特性[8]；Kim 设计了一款新型 DGS 结构低通滤波器，滤波器的截止频率和带宽可通过改变该结构的具体尺寸来控制[9]；Park 等人将 DGS 结构应用于耦合微带带通滤波器的设计中，极大的改善了滤波器的带阻特性[10]；Lim 将 DGS 结构用于高阻抗传输线的设计，提出一种 10dB 耦合分支线桥，并将其应用于二比一的威尔金森功分器的设计，使电路面积减小了 83%[11]；Lim 等人还提出了一种新型的电感型DGS 结构共面波导，该模型的漫波因子很高，从而极大的减小了电路板的面积，此外，还设计了一维电感型 DGS 结构的共面波导，并对其传输特性进行了分析与计算，通过使用 VPDGS 来大幅度缩小结构尺寸[12]；Lim 还在放大器匹配系统的设计中引入 DGS结构，并利用 DGS 结构的良好特性来有效减小功放器和谐振器的高次谐波、从而使输出功率提高，大大减小了微带传输线的长度。在电长度保持不变的情况下，电路尺寸减小了 55%[13]；Jeong在放大器的四分之一波长偏置线的设计中加入 DGS 结构，使放大器高次谐波得到有效的降低[14]；Chang 首次将 DGS 结构引入到微带天线的设计中，达到抑制谐波的目的[15]。因此，利用 DGS 结构来抑制微波有源电路和天线的高次谐波和提高天线的端口隔离度成为无线通信系统中的研究热点。 
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2 DGS 结构频率特性的分析

2.1 DGS 结构的概述
将周期的或非周期的形状蚀刻到微带线的金属接地板上，而形成的一种新型结构。电路衬底材料的有效介电常数改变是由于接地板出现了蚀刻的形状的，即改变了微带传输线的分布电容和分布电感，从而使加载 DGS 结构的微带线具有低通带阻特性、高特性阻抗、慢波特性等优点[8,9]。虽然利用全波分析方法可以精确地分析 DGS 结构微带线的频率特性，但这种分析方法分析过程比较复杂，分析起来比较耗时。因此等效电路的提出在此就显的格外重要，通过单极点低通特性提取出 DGS 结构的等效电路，就可用电路分析软件来分析其等效电路来近似地等效为分析 DGS 结构，电路分析方法比较迅速，大大减少了分析所用的时间。对于加工工艺要求比较严格的微带电路可以用 DGS结构的慢波特性来减小电路板的尺寸。实现高特性阻抗的微带传输线是微波和毫米波微带电路的设计难点，由于 DGS 结构的高特性阻抗的特性，因此在微带线的金属接地板上蚀刻出 DGS 结构可实现高特性阻抗的微带线。基于 DGS 结构以上优越性，在的微带电路的设计过程中根据不同的电路特性选取不同类型的 DGS 结构来改善电路的性能。

2.2 哑铃型 DGS 结构频率特性分析 

2.2.1 哑铃型 DGS 结构模型分析
哑铃型DGS结构图如图2.1所示为第一个具有实用意义的DGS结构是在1999年由韩国学者 Park 提出的[8]。由图 2.1 可知哑铃型 DGS 结构主要由导带下方宽度为 g 的缝隙和缝隙两侧的长为 a、宽为 b 的矩形两部分组成，由于其形状酷似哑铃故称之为哑铃型 DGS 结构。由于大多数 DGS 结构都具有类似哑铃型的形状，如三角形、正方形、多边形、圆形、蝴蝶结形等[19-21]，因此主要以经典哑铃型 DGS 结构为例对其频率特性及等效电路模型进行详细的分析推导。选用介质厚度为 h=0.7874mm，介电常数 εr=2.2 的双面敷铜板(RT/Duroid5880)，利用 Txline2003 传输线计算工具计算出特性阻抗为 50W的微带传输线的宽为 2.4mm。如图2.1 所示经典哑铃型 DGS 结构的参数分别定为：a=b=5mm，g=0.2mm，使用 Ansoft 公司的 HFSS 仿真软件进行电磁仿真，其频率特性如图 2.2 所示。 
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3 DGS 微带滤波器的设计 ..... 25 
3.1  微带滤波器的综述 ........... 25 
3.2  微带低通滤波器的设计 ........... 26 
3.3 DGS 结构低通滤波器的设计 .......... 27 
3.3.1  运用横向变形的蛇型 DGS 结构 LPF 的设计 ..... 28 
3.3.2  提出蛇型 DGS 结构微带滤波器的意义 ...... 31
4  基于缺陷接地结构的双频微带天线 .......... 32 
4.1  普通微带天线设计步骤 ........... 32 
4.2  基于缺陷接地结构的微带贴片天线 ....... 35 

3 DGS 微带滤波器的设计

3.1 微带滤波器的综述

微带滤波器是将微带传输线加工成具有滤波功能的一中微波元器件[34]。它的主要作用是将不需要的信号抑制在滤波器外,只让需要的信号通过。由于无线通信系统领域对频率的利用率越来越高，就使得微带滤波器对频率的划分就加精确。因此，滤波器性能的高低是影响微波电路的性能的重要指标。 微带滤波器的设计过程中应考虑的性能指标主要包括[29,30]： (1)  频率范围：即能通过或被滤波器滤除的频率区间。滤波器的频率响应曲线如图3.1 所示，图 3.1(a)和 3.1 图(b)分别表示低通和带通两类滤波器的频率特性。图 3.1 中 f1，f2称为边界频率或 3dB 截止频率，用来区分滤波器的通带和阻带。理想滤波器的频率响应曲线应在 3dB 截止频率点处使其通带衰减迅速为零，阻带衰减变为无限大。现实情况中并不能达到这种效果，截止频率点通常选取某一特定的衰减值如图中所示的 Lr。(2)  通带衰减：通常它是不能避免的，由滤波器自身的反射和元件存在的损耗所引起，其值越小越好。 (3)  阻带衰减：一般取通带外与截止频率为一定比值的某频率的衰减值作为此项指标，其值越大越好。 (4)  寄生通带：是由传输线段周期性的频率响应引起的，仅微带滤波器存在该项指标，在设计滤波器设计过程中尽量使寄生通带落在截止频率外。 (5)  群延时特性：一般不加考虑。 由于实际情况中存在各种不确定的因素，设计出的滤波器也会存在各式各样的问题。因此，在滤波器的设计过程中需要按照实际情况综合考虑以上指标使其滤波性能达到最佳。 

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结    论

本课题系统地归纳和整理了 DGS 结构的背景及意义，探究国内外 DGS 结构的研究与应用现状。提出了缝隙变形的蛇型 DGS 结构，并针对横向变形的蛇型 DGS 结构的频率特性提出了新的等效电路模型。通过改善原有的微带滤波器的设计方法将新提出的等效电路应用到滤波器的设计中。在双频微带贴片天线发射端中加载具有带阻特性的 DGS组合结构提高端口的隔离度，在天线的接收端加载具有低通特性的 DGS 组合结构抑制天线激励起的高次谐波，达到改善天线的性能的目的。通过对缺陷接地结构微带线深入的研究得到以下结论： 
(1)  对 DGS 结构的发展和现状进行了详细的归纳，并详细分析了两种最具代表性的哑铃型和螺旋型 DGS 结构参数变化对频率特性及等效电路参数的影响。
(2)  在对经典的缺陷接地结构的特性进行分析研究的基础上，提出了两种缝隙变形的蛇型 DGS 结构，针对横向变形的蛇型 DGS 结构的频率特性提出了新的 RLC 等效电路模型，并归纳了参数的计算方法，基于控制变量法分析了两种蛇型 DGS 结构参数对频率特性及等效电路参数的对应关系。 
(3)  对微带滤波器的设计理论和方法进行了总结，改善了文献中提出的 DGS 滤波器的设计方法并将新提出的等效电路模型运用于滤波器的设计中，设计了蛇型 DGS 滤波器。在低通原型滤波器阶数 N 相同的情况下这种设计方法对缺陷结构的使用减少，易于实物的加工设计。 
(4)  设计制作了加载 DGS 结构的双频率微带贴片天线，仿真和测试结果表明加载DGS 结构后天线的隔离度明显的提高，达到了无线通信系统多提出的要求；并且有效的将 2GHz 发射端处大于 4GHz 的频率滤除掉，起到了改善天线性能的作用，达到了设计目的。 
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参考文献(略)

本文编号：42486