微波平面電路

在廣泛使用MIC和MMIC技術(shù)的微波平面電路設(shè)計(jì)中，小型化設(shè)計(jì)研究已經(jīng)成為一門(mén)非常重要的課題。針對(duì)這個(gè)研究方向，Jong-Sik Lim、 Jun-Seok Park 等人提出了DGS(Defected Ground Structure)結(jié)構(gòu)(非理想地平面結(jié)構(gòu))，DGS起源于光波領(lǐng)域，是光子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG)的一種發(fā)展形式，它是在微帶線等傳輸線的金屬地平面上蝕刻周期性或非周期性的各種柵格形狀，以改變傳輸線的傳輸特性。DGS結(jié)構(gòu)特性及其在小型化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用受到了越來(lái)越多工程設(shè)計(jì)人員的重視。其特性主要為：①呈現(xiàn)低通帶阻特性；②提高介質(zhì)的等效介質(zhì)電常數(shù)；③提高傳輸線的等效電容和電感。DGS結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生很多慢波因子(Slow Wave Factor)，使得插入這種結(jié)構(gòu)的傳輸線在相同物理長(zhǎng)度的情況下，具有比普通傳輸線更長(zhǎng)的電長(zhǎng)度，而為了在匹配網(wǎng)絡(luò)中保持相同的電長(zhǎng)度，其物理長(zhǎng)度自然就要減短，從而達(dá)到小型化的設(shè)計(jì)要求。

微波平面電路DGS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介及其等效電路

常規(guī)DGS結(jié)構(gòu)，如普遍使用的dum bbell-DGS，其蝕刻的柵格形狀類(lèi)似啞鈴，在圖 1中顯示了單個(gè)的DGS單元結(jié)構(gòu)，柵格形狀由兩個(gè)長(zhǎng)寬為a、b的矩形和相連距離為w，寬度為g的縫隙組成，縫隙的長(zhǎng)度與傳輸線的寬度等同，而且介質(zhì)襯底的厚度h和其相對(duì)介電常數(shù)都是固定的，因此，DGS結(jié)構(gòu)的特性就由矩形面積和縫隙寬度決定。

圖2給出了周期DGS結(jié)構(gòu)示意圖，每個(gè)單元之間的周期間距為s。單元DGS結(jié)構(gòu)的等效電路可以近似為并聯(lián)LC電路，如圖3( a)所示(虛線框格內(nèi)為DGS結(jié)構(gòu)等效部分)。為了能夠直接應(yīng)用在實(shí)際工程電路設(shè)計(jì)中，需要提取并聯(lián)LC等效電路的參數(shù)。由于單元 DGS結(jié)構(gòu)在某些頻率上具有截止頻率和衰減極點(diǎn)，可以等效為低通濾波器。通過(guò)場(chǎng)分析和等效電路模型的計(jì)算比較，兩者模擬結(jié)果基本一致，說(shuō)明等效電路在一定頻段內(nèi)可以替代DGS，這樣就可以將 DGS等效模型嵌入電路分析和設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行快速分析由圖4可知，在物理長(zhǎng)度L相等的情況下，三種傳輸線的電長(zhǎng)度不相等：θ<θ ′<θ "，說(shuō)明了螺旋型DGS結(jié)構(gòu)的慢波因子最多，啞鈴型 DGS結(jié)構(gòu)次之，常規(guī)傳輸線最少。在相同電長(zhǎng)度的要求下，常規(guī)傳輸?shù)奈锢黹L(zhǎng)度最長(zhǎng)，而插入螺旋型DGS結(jié)構(gòu)的傳輸線最短，這在小型化設(shè)計(jì)中有著非常重要的意義。

微波平面電路基于HFSS軟件的DGS結(jié)構(gòu)仿真分析比較

由文獻(xiàn) 中提出的方法可知，金屬地平面上蝕刻單元的尺寸決定傳輸線的等效電感和電容。一般說(shuō)來(lái)，蝕刻單元的長(zhǎng)度a 影響傳輸線的等效電感，蝕刻單元的寬度b影響傳輸線的電容，而正是這些等效電感和電容影響著 DGS結(jié)構(gòu)的特性。Ansoft HFSS V9.2是三維高頻電磁場(chǎng)仿真軟件，采用有限元分析方法可對(duì)任意無(wú)源結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)模型進(jìn)行仿真，功能非常強(qiáng)大。 我們通過(guò)對(duì)單元 dumbbell-DGS結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，改變蝕刻單元的尺寸，觀察比較等效電感和電容的變化對(duì) DGS結(jié)構(gòu)特性的影響。與相同蝕刻面積的單元dum bbell-DGS結(jié)構(gòu)相比，周期DGS結(jié)構(gòu)其阻帶的中心頻率變化很小，周期DGS結(jié)構(gòu)影響的是阻帶的寬度和深度，阻帶的中心頻率則是由單元DGS結(jié)構(gòu)的諧振頻率決定的，這對(duì)我們?cè)贒GS結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中起著重要的指導(dǎo)作用。

微波平面電路研究結(jié)論

研究介紹了廣泛應(yīng)用于微波平面電路小型化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種 DGS結(jié)構(gòu)。分析和仿真結(jié)果表明DGS作為一種周期性結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、而且易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。即使不存在周期結(jié)構(gòu)，DGS單元在某些頻率點(diǎn)上也具有諧振和低通帶阻特性。周期 DGS結(jié)構(gòu)影響的是阻帶的寬度和深度，表現(xiàn)為超寬帶特性；阻帶的中心頻率則是由單元DGS結(jié)構(gòu)的諧振頻率決定的。我們可以充分利用 DGS結(jié)構(gòu)的帶阻特性抑制諧波分量，從而提高微波器件性能，以獲得常規(guī)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的小型化和高性能。

隨著微波集成電路的不斷發(fā)展，微波電路在電路結(jié)構(gòu)、幾何形狀、材料性質(zhì)、電磁環(huán)境等方面都變得日益復(fù)雜，如何準(zhǔn)確而有效地對(duì)微波電路展開(kāi)分析變得極其重要。起初人們利用Maxwell方程及其邊界條件來(lái)分析電路，然而由于Maxwell方程包含了空間坐標(biāo)函數(shù)的矢量場(chǎng)量的矢量微分或積分運(yùn)算，數(shù)學(xué)計(jì)算的難度很大，對(duì)于一些復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)甚至無(wú)法直接求解。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)了電磁場(chǎng)計(jì)算的新時(shí)代。20世紀(jì)60年代，幾種適應(yīng)于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大型計(jì)算的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法陸續(xù)出現(xiàn)。1968年，Harrington的《計(jì)算電磁場(chǎng)的矩量法》(Field Computation by Moment Method)的出版宣告計(jì)算電磁學(xué)的創(chuàng)立。常用的數(shù)值方法有基于積分方程的矩量法(Method of Moment，MOM)及其快速算法(如快速多極子)，基于微分方程的有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)和時(shí)域有限差分法(Finite Difference Time Domain Method，F(xiàn)DTD)等。

微波平面電路微波平面電路及其研究現(xiàn)狀

微波電路開(kāi)始于20世紀(jì)40年代應(yīng)用的立體微波電路，是一種把有源和無(wú)源器件集成在同一塊半導(dǎo)體基片上的微波電路，它由波導(dǎo)傳輸線、波導(dǎo)元件、諧振腔和微波電子管等組成的，廣泛用于各種電路及技術(shù)中。隨著微波固態(tài)器件的發(fā)展以及分布型傳輸線的出現(xiàn)，20世紀(jì)60年代初，出現(xiàn)了微波平面電路，它是由微帶線、共面波導(dǎo)、槽線、集總元件、微波固態(tài)器件等無(wú)源微波器件和有源微波元件利用擴(kuò)散、外延、沉積、蝕刻等各種加工制造技術(shù)，制作在一塊半導(dǎo)體基片上的微波混合集成電路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC)，屬于第二代微波電路。與傳統(tǒng)的第一代微波電路相比較，第二代微波電路具有體積小、重量輕、避免復(fù)雜的機(jī)械加工、易與波導(dǎo)器件集成等優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)當(dāng)時(shí)迅速發(fā)展起來(lái)的小型微波固體器件；又由于其性能好、可靠性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被用于各種微波整機(jī)。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)際上微波電路技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的波導(dǎo)及同軸線元器件和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到采用微波平面電路。除了某些大功率和高極化純度的場(chǎng)合，微波平面電路已經(jīng)幾乎取代了各種常規(guī)形式的微波電路，是當(dāng)前微波領(lǐng)域的主要研究對(duì)象。

在微波平面電路的技術(shù)發(fā)展歷程中，砷化鎵(GaAs)是使用最廣泛的基片材料。然而隨著頻率的提高，具有周期結(jié)構(gòu)的新型人工材料如頻率選擇表面、左手媒質(zhì)、光子帶隙材料為提高微波電路的性能提供了新的手段，同時(shí)也對(duì)分析和設(shè)計(jì)提出了新的要求。頻率選擇表面由于具有帶阻或帶通特性，在微波與毫米波領(lǐng)域應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，是微波工程領(lǐng)域的前沿問(wèn)題之一。

微波平面電路波概念迭代法原理

波概念迭代法是一種結(jié)合了傳輸線理論與傅里葉模式變換的快速算法。這種方法根據(jù)所研究的電路結(jié)構(gòu)確定分界面，然后根據(jù)電路表面的切向電場(chǎng)和電流密度引入波的概念，通過(guò)對(duì)電路表面進(jìn)行剖分網(wǎng)格來(lái)建立電路模型，利用空域散射算子表示空域波之間的關(guān)系，利用譜域反射算子描述譜域波之間的關(guān)系，由于該方法概念清晰、模型建立簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高，因此得到了很快的發(fā)展。

引入的空域波在電路表面發(fā)生散射，其關(guān)系由空域散射算子表示，空域散射算子可以表示為矩陣的形式，其矩陣元素與電路表面剖分的網(wǎng)格單元一一對(duì)應(yīng)。下面討論空域散射算子的建立過(guò)程。將電路表面均勻剖分成小矩形網(wǎng)格，根據(jù)其不同結(jié)構(gòu)，可以將整個(gè)電路表面區(qū)域劃分為金屬(Metal)、介質(zhì)(Dielectric)、源(Source)區(qū)域以及其它區(qū)域(圖5所示)，各個(gè)子區(qū)域擁有不同的邊界條件，然后根據(jù)波概念方程及各個(gè)子區(qū)域的邊界條件得到空域波在對(duì)應(yīng)區(qū)域的散射關(guān)系，從而得到空域散射算子。

微波平面電路波概念迭代法分析微帶貼片天線

微帶天線是一種典型的微波平面電路，和常用的微波天線相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，低剖面，制造簡(jiǎn)單，成本低，可以和集成電路兼容等；電器上的特點(diǎn)是能得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向，易于和微帶電路集成，易于實(shí)現(xiàn)線極化或圓極化。相同結(jié)構(gòu)的微帶天線可以組成微帶天線陣，以獲得更高的增益和更大的帶寬。已研制成了各種類(lèi)型平面結(jié)構(gòu)的印制天線，如微帶貼片天線、帶線縫隙天線、背腔印制天線以及印制偶極子天線。微帶貼片天線在一塊厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的介質(zhì)基片上，一面附著金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸線探針對(duì)貼片饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng)，并通過(guò)貼片四周與接地板的縫隙向外輻射。常用輻射貼片的形狀有矩形、圓形、多角形、扇形、H形等，也可以是窄長(zhǎng)條形的薄片振子(偶極子)。微帶貼片天線已廣泛應(yīng)用于軍事、移動(dòng)通信、航空航天、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。

波概念迭代法在分析微帶天線時(shí)，只對(duì)天線的不連續(xù)性表面剖分網(wǎng)格，微帶線饋電或同軸探針激勵(lì)處的區(qū)域定義為源區(qū)域，貼片所在區(qū)域?yàn)榻饘賲^(qū)域，其他為介質(zhì)區(qū)域，根據(jù)各自區(qū)域的邊界條件建立空域散射算子，表征空域波之間的關(guān)系；電路表面之外的區(qū)域利用傳輸線理論等效，電路模型建立簡(jiǎn)單；利用空域波在分界面的散射和譜域波在上下區(qū)域的反射關(guān)系展開(kāi)迭代運(yùn)算，避免了基函數(shù)的選取和大矩陣的求逆，簡(jiǎn)化了運(yùn)算；空域和譜域波之間的交互采用傅里葉模式變換實(shí)現(xiàn)，提高了計(jì)算速度?？梢钥闯霾ǜ拍畹ㄌ貏e適合于分析微波平面電路。

微波平面電路是介于一維的傳輸線電路與三維的波導(dǎo)立體電路之間的二維分布參數(shù)電路。利用它可以構(gòu)成不同功能的微波元件，如濾波器、振蕩器等。常用的非對(duì)稱型平面電路（圖1）與微帶線輸入、 輸出電路相連，這種電路沿x、y方向的尺寸與波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)相當(dāng)，而沿z方向的尺寸h遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。因此，輸入微帶線激勵(lì)的電磁場(chǎng)在中心導(dǎo)體片與接地板之間的空間里振蕩，其電場(chǎng)只有z分量（不計(jì)邊緣場(chǎng)），磁場(chǎng)平行于xy平面,是TM模(對(duì)z而言),且場(chǎng)強(qiáng)僅為x、y的函數(shù),與z無(wú)關(guān)。此外，還有對(duì)稱型(圖2)和空腔型（圖3）兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)稱型和非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)的基片邊界是開(kāi)路的，空腔型結(jié)構(gòu)的基片邊界是短路的。

由于平面電路的阻抗甚低，容易與半導(dǎo)體二極管匹配,可用作變?nèi)莨苷{(diào)諧的體效應(yīng)管振蕩器的諧振回路等。