1 緒論

1.1 論文的選題背景及意義
近幾年來，全球通信技術(shù)的迅速發(fā)展，使得無線通信在現(xiàn)代通信領(lǐng)域占具著主導(dǎo)地位，并且得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，與其相關(guān)的科學(xué)領(lǐng)域也越來越受到學(xué)術(shù)界的重視，如無線傳輸技術(shù)、計(jì)算電磁學(xué)、微波有源器件以及電磁帶隙結(jié)構(gòu)等，同時(shí)許多新的通信系統(tǒng)如衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電視、移動通信以及雷達(dá)偵查等也隨之誕生，另一方面，電子戰(zhàn)的出現(xiàn)使得無線通信在軍事領(lǐng)域得到大力的發(fā)展，其應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿κ俏阌怪靡傻模瑹o線通信系統(tǒng)性能的好壞直接決定著戰(zhàn)爭的成敗。在現(xiàn)代社會發(fā)展的大環(huán)境下，通信專用集成電路的設(shè)計(jì)能力直接決定著無線通信技術(shù)核心競爭力。隨著高科技集成電路技術(shù)和先進(jìn)設(shè)計(jì)方案的不斷革新和改進(jìn)，便攜式、小型化的通信設(shè)備在無線通信系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，其中微波集成電路的設(shè)計(jì)是組成無線通信系統(tǒng)的核心[1-4]。 在無線通信系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域不斷延伸的同時(shí)，必須運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)來對微波頻段資源進(jìn)行有效的整合，而微波濾波器是頻率選擇的主要器件，，其直接決定有限頻帶資源的利用能力，同時(shí)也是無線技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵，所以需要設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)的微波濾波器，目前無線通信領(lǐng)域的重要任務(wù)之一是研究高質(zhì)量、小型化的微波濾波器[5-7]。 然而，僅僅對介質(zhì)板表面元件的開發(fā)及設(shè)計(jì)阻礙了微波電路的發(fā)展。雖然三維微波集成電路技術(shù)使有限的微波集成電路結(jié)構(gòu)得到了極大的開發(fā)和利用，但是仍然存在一些問題，比如缺少對電路接地金屬板的利用及開發(fā)。 DGS 是將周期或非周期的形狀蝕刻到微帶線的金屬接地板上，而形成的一種新型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致電路底部材料的有效介電常數(shù)發(fā)生變化，也就是使傳輸線的等效電容和電感值發(fā)生變化，從而使微帶傳輸線呈現(xiàn)出濾波特性、漫波特性和高特性阻抗[8,9]。其中DGS 微帶線的濾波特性可通過簡單的 LC 等效電路與電磁場數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行理論分析和計(jì)算，此外 DGS 結(jié)構(gòu)的電路面積較小，特別適于集成化要求高的場合。因此，DGS 結(jié)構(gòu)在微波電路小型化和電路性能提高等方面具有較大的優(yōu)勢。 
........

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
DGS 結(jié)構(gòu)是上世紀(jì)末由 Park 教授在光子帶隙結(jié)構(gòu)上提出的。DGS 結(jié)構(gòu)吸引國內(nèi)外越來越多的學(xué)者對其傳輸特性進(jìn)行了深入地研究與分析，已成為無線通信領(lǐng)域研究的熱門課題。2000 年，Park 等人成功將 DGS 結(jié)構(gòu)引入到超寬帶低通濾波器和帶通濾波器的設(shè)計(jì)中并取得良好的濾波特性[8]；Kim 設(shè)計(jì)了一款新型 DGS 結(jié)構(gòu)低通濾波器，濾波器的截止頻率和帶寬可通過改變該結(jié)構(gòu)的具體尺寸來控制[9]；Park 等人將 DGS 結(jié)構(gòu)應(yīng)用于耦合微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)中，極大的改善了濾波器的帶阻特性[10]；Lim 將 DGS 結(jié)構(gòu)用于高阻抗傳輸線的設(shè)計(jì)，提出一種 10dB 耦合分支線橋，并將其應(yīng)用于二比一的威爾金森功分器的設(shè)計(jì)，使電路面積減小了 83%[11]；Lim 等人還提出了一種新型的電感型DGS 結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)，該模型的漫波因子很高，從而極大的減小了電路板的面積，此外，還設(shè)計(jì)了一維電感型 DGS 結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)，并對其傳輸特性進(jìn)行了分析與計(jì)算，通過使用 VPDGS 來大幅度縮小結(jié)構(gòu)尺寸[12]；Lim 還在放大器匹配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中引入 DGS結(jié)構(gòu)，并利用 DGS 結(jié)構(gòu)的良好特性來有效減小功放器和諧振器的高次諧波、從而使輸出功率提高，大大減小了微帶傳輸線的長度。在電長度保持不變的情況下，電路尺寸減小了 55%[13]；Jeong在放大器的四分之一波長偏置線的設(shè)計(jì)中加入 DGS 結(jié)構(gòu)，使放大器高次諧波得到有效的降低[14]；Chang 首次將 DGS 結(jié)構(gòu)引入到微帶天線的設(shè)計(jì)中，達(dá)到抑制諧波的目的[15]。因此，利用 DGS 結(jié)構(gòu)來抑制微波有源電路和天線的高次諧波和提高天線的端口隔離度成為無線通信系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)。 
........

2 DGS 結(jié)構(gòu)頻率特性的分析

2.1 DGS 結(jié)構(gòu)的概述
將周期的或非周期的形狀蝕刻到微帶線的金屬接地板上，而形成的一種新型結(jié)構(gòu)。電路襯底材料的有效介電常數(shù)改變是由于接地板出現(xiàn)了蝕刻的形狀的，即改變了微帶傳輸線的分布電容和分布電感，從而使加載 DGS 結(jié)構(gòu)的微帶線具有低通帶阻特性、高特性阻抗、慢波特性等優(yōu)點(diǎn)[8,9]。雖然利用全波分析方法可以精確地分析 DGS 結(jié)構(gòu)微帶線的頻率特性，但這種分析方法分析過程比較復(fù)雜，分析起來比較耗時(shí)。因此等效電路的提出在此就顯的格外重要，通過單極點(diǎn)低通特性提取出 DGS 結(jié)構(gòu)的等效電路，就可用電路分析軟件來分析其等效電路來近似地等效為分析 DGS 結(jié)構(gòu)，電路分析方法比較迅速，大大減少了分析所用的時(shí)間。對于加工工藝要求比較嚴(yán)格的微帶電路可以用 DGS結(jié)構(gòu)的慢波特性來減小電路板的尺寸。實(shí)現(xiàn)高特性阻抗的微帶傳輸線是微波和毫米波微帶電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，由于 DGS 結(jié)構(gòu)的高特性阻抗的特性，因此在微帶線的金屬接地板上蝕刻出 DGS 結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高特性阻抗的微帶線�；� DGS 結(jié)構(gòu)以上優(yōu)越性，在的微帶電路的設(shè)計(jì)過程中根據(jù)不同的電路特性選取不同類型的 DGS 結(jié)構(gòu)來改善電路的性能。

2.2 啞鈴型 DGS 結(jié)構(gòu)頻率特性分析 

2.2.1 啞鈴型 DGS 結(jié)構(gòu)模型分析
啞鈴型DGS結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示為第一個(gè)具有實(shí)用意義的DGS結(jié)構(gòu)是在1999年由韓國學(xué)者 Park 提出的[8]。由圖 2.1 可知啞鈴型 DGS 結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)帶下方寬度為 g 的縫隙和縫隙兩側(cè)的長為 a、寬為 b 的矩形兩部分組成，由于其形狀酷似啞鈴故稱之為啞鈴型 DGS 結(jié)構(gòu)。由于大多數(shù) DGS 結(jié)構(gòu)都具有類似啞鈴型的形狀，如三角形、正方形、多邊形、圓形、蝴蝶結(jié)形等[19-21]，因此主要以經(jīng)典啞鈴型 DGS 結(jié)構(gòu)為例對其頻率特性及等效電路模型進(jìn)行詳細(xì)的分析推導(dǎo)。選用介質(zhì)厚度為 h=0.7874mm，介電常數(shù) εr=2.2 的雙面敷銅板(RT/Duroid5880)，利用 Txline2003 傳輸線計(jì)算工具計(jì)算出特性阻抗為 50W的微帶傳輸線的寬為 2.4mm。如圖2.1 所示經(jīng)典啞鈴型 DGS 結(jié)構(gòu)的參數(shù)分別定為：a=b=5mm，g=0.2mm，使用 Ansoft 公司的 HFSS 仿真軟件進(jìn)行電磁仿真，其頻率特性如圖 2.2 所示。 
....... 

3 DGS 微帶濾波器的設(shè)計(jì) ..... 25 
3.1  微帶濾波器的綜述 ........... 25 
3.2  微帶低通濾波器的設(shè)計(jì) ........... 26 
3.3 DGS 結(jié)構(gòu)低通濾波器的設(shè)計(jì) .......... 27 
3.3.1  運(yùn)用橫向變形的蛇型 DGS 結(jié)構(gòu) LPF 的設(shè)計(jì) ..... 28 
3.3.2  提出蛇型 DGS 結(jié)構(gòu)微帶濾波器的意義 ...... 31
4  基于缺陷接地結(jié)構(gòu)的雙頻微帶天線 .......... 32 
4.1  普通微帶天線設(shè)計(jì)步驟 ........... 32 
4.2  基于缺陷接地結(jié)構(gòu)的微帶貼片天線 ....... 35 

3 DGS 微帶濾波器的設(shè)計(jì)

3.1 微帶濾波器的綜述

微帶濾波器是將微帶傳輸線加工成具有濾波功能的一中微波元器件[34]。它的主要作用是將不需要的信號抑制在濾波器外,只讓需要的信號通過。由于無線通信系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)︻l率的利用率越來越高，就使得微帶濾波器對頻率的劃分就加精確。因此，濾波器性能的高低是影響微波電路的性能的重要指標(biāo)。 微帶濾波器的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮的性能指標(biāo)主要包括[29,30]： (1)  頻率范圍：即能通過或被濾波器濾除的頻率區(qū)間。濾波器的頻率響應(yīng)曲線如圖3.1 所示，圖 3.1(a)和 3.1 圖(b)分別表示低通和帶通兩類濾波器的頻率特性。圖 3.1 中 f1，f2稱為邊界頻率或 3dB 截止頻率，用來區(qū)分濾波器的通帶和阻帶。理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線應(yīng)在 3dB 截止頻率點(diǎn)處使其通帶衰減迅速為零，阻帶衰減變?yōu)闊o限大。現(xiàn)實(shí)情況中并不能達(dá)到這種效果，截止頻率點(diǎn)通常選取某一特定的衰減值如圖中所示的 Lr。(2)  通帶衰減：通常它是不能避免的，由濾波器自身的反射和元件存在的損耗所引起，其值越小越好。 (3)  阻帶衰減：一般取通帶外與截止頻率為一定比值的某頻率的衰減值作為此項(xiàng)指標(biāo)，其值越大越好。 (4)  寄生通帶：是由傳輸線段周期性的頻率響應(yīng)引起的，僅微帶濾波器存在該項(xiàng)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)濾波器設(shè)計(jì)過程中盡量使寄生通帶落在截止頻率外。 (5)  群延時(shí)特性：一般不加考慮。 由于實(shí)際情況中存在各種不確定的因素，設(shè)計(jì)出的濾波器也會存在各式各樣的問題。因此，在濾波器的設(shè)計(jì)過程中需要按照實(shí)際情況綜合考慮以上指標(biāo)使其濾波性能達(dá)到最佳。 

..........
 
結(jié)    論

本課題系統(tǒng)地歸納和整理了 DGS 結(jié)構(gòu)的背景及意義，探究國內(nèi)外 DGS 結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。提出了縫隙變形的蛇型 DGS 結(jié)構(gòu)，并針對橫向變形的蛇型 DGS 結(jié)構(gòu)的頻率特性提出了新的等效電路模型。通過改善原有的微帶濾波器的設(shè)計(jì)方法將新提出的等效電路應(yīng)用到濾波器的設(shè)計(jì)中。在雙頻微帶貼片天線發(fā)射端中加載具有帶阻特性的 DGS組合結(jié)構(gòu)提高端口的隔離度，在天線的接收端加載具有低通特性的 DGS 組合結(jié)構(gòu)抑制天線激勵起的高次諧波，達(dá)到改善天線的性能的目的。通過對缺陷接地結(jié)構(gòu)微帶線深入的研究得到以下結(jié)論： 
(1)  對 DGS 結(jié)構(gòu)的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的歸納，并詳細(xì)分析了兩種最具代表性的啞鈴型和螺旋型 DGS 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對頻率特性及等效電路參數(shù)的影響。
(2)  在對經(jīng)典的缺陷接地結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，提出了兩種縫隙變形的蛇型 DGS 結(jié)構(gòu)，針對橫向變形的蛇型 DGS 結(jié)構(gòu)的頻率特性提出了新的 RLC 等效電路模型，并歸納了參數(shù)的計(jì)算方法，基于控制變量法分析了兩種蛇型 DGS 結(jié)構(gòu)參數(shù)對頻率特性及等效電路參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。 
(3)  對微帶濾波器的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行了總結(jié)，改善了文獻(xiàn)中提出的 DGS 濾波器的設(shè)計(jì)方法并將新提出的等效電路模型運(yùn)用于濾波器的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了蛇型 DGS 濾波器。在低通原型濾波器階數(shù) N 相同的情況下這種設(shè)計(jì)方法對缺陷結(jié)構(gòu)的使用減少，易于實(shí)物的加工設(shè)計(jì)。 
(4)  設(shè)計(jì)制作了加載 DGS 結(jié)構(gòu)的雙頻率微帶貼片天線，仿真和測試結(jié)果表明加載DGS 結(jié)構(gòu)后天線的隔離度明顯的提高，達(dá)到了無線通信系統(tǒng)多提出的要求；并且有效的將 2GHz 發(fā)射端處大于 4GHz 的頻率濾除掉，起到了改善天線性能的作用，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。 
.........
參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：42486