4-94  利用DGS提高射频器件性能

蔡钟斌

DGS(Defected Ground Structure)结构是在金属地平面上蚀刻周期性或非周期性的各种栅格形状而形成的非理想地平面结构，它是光子带间隙结构(PBG)的一种发展形式，其效应可用LC谐振等效电路来表示。DGS结构可被广泛应用于谐振器、振荡器、滤波器、耦合器、分配/合成网络、天线、功率放大器等中，以实现常规技术无法得到的高性能。

这种结构的等效电路是并联的电感和电容。

DGS型传输线具有以下特性：提高介质的等效介电常数；提高传输线的等效电容和电感；呈现低通带阻特性、慢波因子增加（与常规传输线相比）、存在截止频率和谐振频率。仿真结果表明：DGS型微带线与相同物理尺寸的常规微带线相比有更高的慢波因子，更长的电长度。因此基于这些原理，微带线的长度可以减小。由HFSS仿真结果可以看出，改变DGS的尺寸可以控制截止频率。DGS的周期性对阻带的中心频率影响很小，而对阻带的深度和宽度有明显的作用。

设计DGS微带线，它的定模很重要。在设计中，采用三维电磁场软件进行模型设计，然后进行三维电磁场分析，再进行等效电路的提取，最后通过试验验证模型。由于DGS有谐振特性，所以它可以等效为电感L、电容C并联谐振。根据场分析结果，确定图1中的S₂₁阻带中心角频率w₀和3 dB截止角频率w_c。在由以下公式可以得到L和C的值。

，

其中，Z₀是参考阻抗。

为了验证提出模型的正确性，设计了一款DGS微带线，DGS的结构尺寸为3 mm´4 mm´0.2 mm。采用的PCB板为介质为10，h=1.5 mm。微带线w（50 W）=1.4 mm。经三维仿真后，从S₂₁曲线上得到阻带中心频率为5.9 GHz，3 dB截止频率为4.0 GHz，最后由公式可得到等效电路参数：L=2.086 nH，C=0.361 pF。图1的三维电磁场和等效电路模拟结果的比较表明了等效电路的正确性。

作为应用，提出一种基于DGS的l/4波长高阻偏置线新方法。与常规偏置线相比，这种DGS l/4波长偏置线具有高阻抗、更宽的物理宽度、更短长度的优点。这种偏置线加到信号传输线上，能减少2次谐波、3次谐波。采用的PCB是RT/duroid 5880，介电常数2.2，高度0.7874 mm。工作频率为2.54 GHz，微带线特性阻抗为120 W，0.41 mm´25.1 mm。仿真结果表明，采用电容加l/4波长偏置线的结构时，信号的2次谐波被抑制，但3次谐波仍然可以通过。为了与常规l/4波长高阻偏置线比较，采用了相同的PCB、特性阻抗和工作频率。DGS结构5 mm´2 mm´0.5 mm。偏置线1.23 mm´ 23.8 mm。与常规微带线相比，DGS微带线的宽度增大3倍，长度稍微缩短。从仿真结果可以看出，这种新型的DGS偏置线既能抑制2次谐波，又能抑制3次谐波。