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說,，微波高通濾波器一般有兩大類設(shè)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(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(jié)構(gòu)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(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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對工藝要求很高,。
本文主要針對第二類方法,，利用DGS結(jié)構(gòu)來設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，尺寸較小的超寬帶微波高通濾波器,。
1 DGS結(jié)構(gòu)簡介
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兼顧的設(shè)計概念,，合理地開發(fā)接地板，極大提高了設(shè)計靈活性,。但是,，由于PBG結(jié)構(gòu)模型較復(fù)雜，參數(shù)也較繁雜,，所以在實踐應(yīng)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(jié)構(gòu)(即DGS),，如圖1所示，LC電路如圖2所示,。
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(yīng)，具有較高特征阻抗等,，使得對DGS的研究成為微波電路設(shè)計中一個新的研究熱點,。近年來對DGS結(jié)構(gòu)的研究層出不窮，在應(yīng)用方面主要是設(shè)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(jié)構(gòu)對耦合線的影響
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,，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(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,。
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。
當(dāng)間隔距離D=1mm時,，3端口的耦合輸出在DC～15 GHz范圍內(nèi)不大于-20dB。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，對加工工藝的要求將會非常高。
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,。
由仿真結(jié)果可以看出,，加載DGS結(jié)構(gòu)后，3,，4端口的輸出在2～15 GHz范圍內(nèi)都大于-20 dB,，在不改變間隔距離D的情況下，S13平均提高約20 dB,。同時注意到S14與S13參數(shù)曲線在整個DC～15 GHz頻段內(nèi)幾乎一樣,，即由1，2端口間耦合過來的能量在3,，4端口平均分配,，即4端口不再是隔離端口，沒有方向性了,。
此時,，微帶傳播不是TEM波，在加載DGS結(jié)構(gòu)處甚至不是準(zhǔn)TEM波,。按照左手理論,，在DGS結(jié)構(gòu)處的等效介電常數(shù)為負(fù)值。因此,，由于加載DGS結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整個介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)的分布極不均勻,，很難再套用由均勻介質(zhì)情況推出的奇偶模分析法的結(jié)論和公式?？梢越频匕袲GS結(jié)構(gòu)看作是在接地板上腐蝕出的“槽線”,，“槽”與一條微帶線正交耦合，能量通過“槽線”后再耦合到另一條微帶線上,，在耦合處向微帶兩側(cè)平均傳播能量,，即此時還存在兩條微帶線間通過空間的電磁耦合，但是很微弱,，“槽”耦合占主導(dǎo)地位,。
3 基于DGS的高通濾波器設(shè)計
從微帶線的不均勻性角度出發(fā)，兩條耦合微帶的1,，3端口本身就具有高通特性,，如圖6所示的S13，但是由于耦合過于微弱,，從而無法形成高通濾波器的通帶,。
基于前面對于加載DGS結(jié)構(gòu)對耦合線的影響，聯(lián)想到可以通過加強兩微帶間的耦合從而使S13形成高通響應(yīng),，如圖11所示,。
4 測量
使用RT／duroid 5880(基底介電常數(shù)εr=2．2,，介質(zhì)厚度h=O．508 mm,，銅箔厚度T=O．018 mm)材料制作如圖15所示，截止頻率為7．5GHz的O～15 GHz超寬帶高通濾波器,，其中L=7．8 mm,，2d=2 mm，W0=O．5 mm,。使用Agilent N5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果如圖16所示,。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，驗證了基于DGS結(jié)構(gòu)的高通濾波器設(shè)計的可行性,。
傳統(tǒng)超寬帶高通濾波器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,，對工藝要求較高，且較難實現(xiàn)小型化,，利用DGS結(jié)構(gòu)對耦合微帶線的影響,，提出結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)小型化的超寬帶高通濾波器，測量結(jié)果表明,，該結(jié)構(gòu)在O～15 GHz內(nèi)具有較好的高通濾波特性,，在微波混合集成電路，低溫共燒陶瓷(LTCC)電路,，多芯片組件(MCM)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景,。