微波功率放大器DGS濾波電路研究

柴豆豆，吳劍威，王怡影，倪　春

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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微波功率放大器DGS濾波電路研究

柴豆豆，吳劍威，王怡影，倪春

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

[摘要]在功率放大器設(shè)計中，可采用諧波抑制電路抑制功率放大器的諧波分量，以提高功率放大器的輸出功率和功率附加效率。DGS是在平面微波傳輸線接地金屬板上通過刻蝕周期或非周期的形狀，以改變電路襯底材料的有效介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)改變微帶線的分布電感和分布電容的效果的結(jié)構(gòu)。DGS單元具有很好的帶隙特性和慢波效應(yīng)。本文對DGS的應(yīng)用進(jìn)行深入的研究，并設(shè)計完成一款基于DGS的微帶低通濾波器。仿真結(jié)果表明該種結(jié)構(gòu)可以有效的改善通帶內(nèi)射頻傳輸特性的平坦度。

[關(guān)鍵詞]缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS);慢波;低通濾波器

1引言

在現(xiàn)代通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對抗等系統(tǒng)中，微波功率放大器的應(yīng)用越來越廣泛。然而，工作在大信號狀態(tài)下的晶體管是非線性電子器件，會產(chǎn)生大量的高次諧波分量，不僅降低了功率放大器的工作效率，而且對基波信號也會產(chǎn)出很大的損耗。目前，提高基波輸出功率和放大器功率效率方面最有效的方法就是對高次諧波進(jìn)行抑制。在高次諧波抑制研究方面，研究學(xué)者對微帶DGS結(jié)構(gòu)尤為青睞，這是因?yàn)槲GS結(jié)構(gòu)具有良好的慢波和帶阻特性，尤其是對通帶以及帶外寄生頻帶的抑制，使其成為微波功率放大器電路設(shè)計中的研究熱點(diǎn)。

韓國學(xué)者J.I.Park等人在研究了光子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG——photonic band gap)[1]的基礎(chǔ)上提出了缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS——defected ground structure)[2-3]。這種電路結(jié)構(gòu)是通過在微帶接地金屬板上刻蝕周期或者非周期的形狀，從而影響接地板上傳導(dǎo)電流的分布，進(jìn)而改變傳輸線的特性。DGS構(gòu)成的微帶線主要具有單極點(diǎn)低通特性、慢波效應(yīng)和高等效特性阻抗三大特性。

DGS的單極點(diǎn)低通特性可以方便提取等效電路參數(shù)值，簡化電路分析方法，提高電路的分析效率。DGS的慢波特性可以減小微波器件的尺寸，對小型化電路設(shè)計具有很好的應(yīng)用前景。DGS可以實(shí)現(xiàn)高特性阻抗，所以帶有DGS的微帶線可以在微波和毫米波電路中代替高特性阻抗微帶線，幫助解決高特性阻抗微帶線加工精度困難的問題。由于DGS具有以上特性，使得其成為當(dāng)前微波毫米波集成電路研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。在平面諧振器，濾波器，定向藕合器，功分器，振蕩器，功率放大器電路和天線中的應(yīng)用正在不斷的被研究和開發(fā)。

2DGS結(jié)構(gòu)特性及模型參數(shù)提取

DGS是由電磁帶隙結(jié)構(gòu)EBG發(fā)展而來的，其在結(jié)構(gòu)形式上多種多樣，通過在微帶線接地金屬板上刻蝕周期性的單元結(jié)構(gòu)，以獲得設(shè)計頻段的阻帶，其等效電路的提取較EBG結(jié)構(gòu)要簡單得多[4-5]。

DGS傳輸線的結(jié)構(gòu)可以等效為并聯(lián)的電容和電感，其特性包括：提高介質(zhì)的等效介電常數(shù)、提高傳輸線的等效電容和電感、低通帶阻、慢波、存在截止頻率和諧振頻率。實(shí)驗(yàn)表明DGS的微帶線結(jié)構(gòu)具有更高的慢波因子，因此基于DGS結(jié)構(gòu)的電路具有更長的電長度。在設(shè)計小型化電路方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

一般情況下，DGS結(jié)構(gòu)模型的形狀可以分為兩大類，包括簡單的獨(dú)立矩形形狀和啞鈴型形狀，如圖所示。其中啞鈴型的結(jié)構(gòu)根據(jù)啞鈴結(jié)構(gòu)的不同，又可分為矩形、圓形和三角形[6-7]。

圖1　DGS結(jié)構(gòu)類型

DGS等效電路的提取在微波電路設(shè)計中，一般根據(jù)DGS的頻率特性，通常采用集中參數(shù)或者分布參數(shù)與集中參數(shù)相結(jié)合的電路單元。所以，在若干個DGS連接時或者DGS與其他電路元件連接時，就可以根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論得出電路的總體性能。在微波濾波器設(shè)計理論中，可以用電感和電容元件來產(chǎn)生一個衰減極點(diǎn)，DGS也正是具有單極點(diǎn)低通的特性。本節(jié)根據(jù)DGS等效的LC與單極點(diǎn)Butterworth濾波器[8]的對應(yīng)關(guān)系推導(dǎo)出等效DGS參數(shù)的表達(dá)式。單極點(diǎn)Butterworth濾波器的低通原型和DGS的等效電路分別如圖2和3所示，圖中的物理量分別為：g0、g1和g2均為低通原型濾波器的歸一化元件，其中g(shù)1表示電抗性質(zhì)元件，量值表示為jXL，g0、g2分別代表信號源和輸出端的阻抗，量值均為1。圖3中的兩個Z0分別代表等效電路的電源內(nèi)阻和輸出端的阻抗，其值均為50歐姆，中間并聯(lián)LC諧振電路等效電抗值表示為jXLC[9-11]。

圖2　一階單極點(diǎn)Butterworth低通原型濾波器

圖3　LC形式的DGS等效電路

DGS等效LC諧振電路的參數(shù)L和C的提取過程如下：首先在電磁仿真軟件中建立要提取等效電路的DGS結(jié)構(gòu)的模型，仿真出對應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸DGS的傳輸特性圖，然后從傳輸特性圖中提取出單極點(diǎn)的衰減頻率值f0和通阻帶過度過程中衰減達(dá)3dB的截止頻率值fc，由頻率值與角頻率值的關(guān)系算出對應(yīng)的角頻率值w0和wc，最后由諧振條件得到等效電感可表示為：

(1)

可得，整個LC回路的電抗為：

(2)

Butterworth低通原型濾波器的串聯(lián)感抗可表示為：

(3)

上式中w′為歸一化角頻率，g1為Butterworth低通原型濾波器的歸一化參量值，查表得g1=2。由圖2和圖3等效關(guān)系可得：

(4)

從式上述的公式可以得到等效電路中的電容C可以表達(dá)為：

(5)

等效電路的電容值C確定后，給定的DGS單元的電感L可以通過以下等式求得：

(6)

雖然DGS模型的結(jié)構(gòu)形式多樣，但基本原理相似。本文采用的矩形啞鈴結(jié)構(gòu)，如圖4所示，w為特性阻抗為50歐姆的微帶傳輸線，a為接地金屬板蝕刻啞鈴結(jié)構(gòu)的邊長，s為啞鈴結(jié)構(gòu)縫隙寬度，d為啞鈴結(jié)構(gòu)的中間寬度。本文對方形啞鈴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析，其參數(shù)a、d、s的選擇性較大，通過改變參數(shù)的值從而改變等效電路的電容和電感的值，導(dǎo)致電路的特性發(fā)生變化，而這一變化可以通過軟件仿真的方式進(jìn)行分析。分析可以得出隨著s的增加，等效電路的等效電容值減小，f0增加，其他參數(shù)變化不大；隨著a的增加，等效電路的等效電感增加，f0減小，電容變化不大；隨著d增加，等效電路的等效電容和等效電感都增大，f0減小。圖4中同時給出了啞鈴型缺陷地結(jié)構(gòu)的等效LC并聯(lián)諧振電路[12]。

圖4　DGS結(jié)構(gòu)單元與LC并聯(lián)諧振電路示意圖

運(yùn)用HFSS軟件對啞鈴型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行掃描，圖5給出了對啞鈴結(jié)構(gòu)的縫隙寬度s的掃描結(jié)果，由圖可以得到，隨著s的增加可以得到諧振頻率發(fā)生的變化。s的掃描范圍為0.4mm、0.8mm和1.2mm，可以看出隨著s的增加諧振頻率降低。

圖5　啞鈴DGS結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)特性

3低通濾波器的設(shè)計

本文采用啞鈴型結(jié)構(gòu)，設(shè)計完成了一款截止頻率為2GHz的DGS低通濾波器。首先運(yùn)用HFSS軟件對單個啞鈴型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，微帶線的特性阻抗仍然選擇50歐姆，仿真所使用的介質(zhì)介電常數(shù)為2.55，厚度為0.762mm。圖6(a)給出了單個DGS結(jié)構(gòu)的示意圖，圖6(b)中給出了單個DGS低通濾波器的仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出，單個結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)特性已經(jīng)具備了低通的特性，但是通帶內(nèi)的S21和S11特性一般，阻帶內(nèi)的S21和S11特性較差，阻帶內(nèi)的抑制度不理想。

圖6

為了改善上述電路結(jié)構(gòu)的存在的缺陷，可以采用由若干啞鈴結(jié)構(gòu)級聯(lián)組成的組合電路結(jié)構(gòu)。本文采用了DGS級聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，仿真電路圖及其仿真結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果顯示，通過級聯(lián)的方式，增加啞鈴結(jié)構(gòu)的數(shù)量，能夠改善頻率響應(yīng)特性，特別是阻帶寬帶增加，阻帶抑制加強(qiáng)，仿真結(jié)果證實(shí)了啞鈴型結(jié)構(gòu)DGS低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計完成的截止頻率為2GHz的DGS低通濾波器，濾波器的阻帶帶寬可以達(dá)到7倍頻程， 通帶內(nèi)S11也由-10dB下降到-20dB，阻帶內(nèi)的S21參數(shù)的起伏也明顯減小，阻帶的寬帶也顯著變寬，且阻帶深度也明顯加深。由此可以證明基于多級級聯(lián)的啞鈴型結(jié)構(gòu)的DGS低通濾波器的頻率響應(yīng)特性得到很大的改善。由于濾波器的阻帶抑制特性，該種結(jié)構(gòu)的低通濾波器在小型化設(shè)計領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，在射頻微波功率放大器電路設(shè)計領(lǐng)域可以抑制放大器電路的高次諧波，從而提高電路效率。

圖7

4結(jié)束語

本文分析了低通濾波器器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對啞鈴型DGS低通濾波器進(jìn)行了深入的研究，提取電路的等效電路模型，利用仿真軟件對啞鈴型DGS低通濾波器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并設(shè)計完成一款截止頻率為2GHz的低通濾波器。試驗(yàn)仿真結(jié)果證明了啞鈴型DGS低通濾波器在通帶傳輸和阻帶抑制等頻率特性具有很大優(yōu)勢。從而證明了可以通過引入啞鈴型DGS技術(shù)對高次諧波進(jìn)行很好的抑制，提高功率放大器的輸出功率和功率效率。

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Application Research of DGS Filter Circuit Using in Microwave Power Amplifier

CHAI Doudou, WU Jianwei, WANG Yiying, NI Chun

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Abstract：In the design of power amplifiers, harmonic components of power amplifier can be suppressed by harmonic suppression circuit, so as to improve the output power and power added efficiency of power amplifier. DGS is a planar microwave transmission line which a periodic or aperiodic shape etched on in a grounding metal plate. The equivalent circuit of stray inductance and capacitance of the microstrip line is achieved by change the effective dielectric constant of the circuit substrate material. The DGS unit exhibits remarkable bandgap characteristics and slow wave characteristics. Further research is carried out on the application of DGS, in which the microstrip low-pass filter based on DGS has been designed. The results show that the DGS techniques can improve RF transmission characteristics in band flatness, the experimental results are satisfactory.

Key words：defected ground structure( DGS); slow wave; low-pass filter

[中圖分類號]G61

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-2273(2015)06-0029-04

作者簡介][第一 柴豆豆(1986-)，男，安徽亳州人，碩士，合肥師范學(xué)院電子信息工程學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師。

[基金項目]國家青年基金(51207041，61301062)，安徽省高校省級自然科學(xué)基金(KJ2012A242)，合肥師范學(xué)院校級項目 (2014cxy28, 2014lwpy54，2015QN67)

[收稿日期]2015-05-16