微波功率放大器DGS滤波电路研究

柴豆豆，吴剑威，王怡影，倪　春

(合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)



微波功率放大器DGS滤波电路研究

柴豆豆，吴剑威，王怡影，倪春

(合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)

[摘要]在功率放大器设计中，可采用谐波抑制电路抑制功率放大器的谐波分量，以提高功率放大器的输出功率和功率附加效率。DGS是在平面微波传输线接地金属板上通过刻蚀周期或非周期的形状，以改变电路衬底材料的有效介电常数，实现改变微带线的分布电感和分布电容的效果的结构。DGS单元具有很好的带隙特性和慢波效应。本文对DGS的应用进行深入的研究，并设计完成一款基于DGS的微带低通滤波器。仿真结果表明该种结构可以有效的改善通带内射频传输特性的平坦度。

[关键词]缺陷地结构(DGS);慢波;低通滤波器

1引言

在现代通信、雷达、导航、电子对抗等系统中，微波功率放大器的应用越来越广泛。然而，工作在大信号状态下的晶体管是非线性电子器件，会产生大量的高次谐波分量，不仅降低了功率放大器的工作效率，而且对基波信号也会产出很大的损耗。目前，提高基波输出功率和放大器功率效率方面最有效的方法就是对高次谐波进行抑制。在高次谐波抑制研究方面，研究学者对微带DGS结构尤为青睐，这是因为微带DGS结构具有良好的慢波和带阻特性，尤其是对通带以及带外寄生频带的抑制，使其成为微波功率放大器电路设计中的研究热点。

韩国学者J.I.Park等人在研究了光子带隙结构(PBG——photonic band gap)[1]的基础上提出了缺陷地结构(DGS——defected ground structure)[2-3]。这种电路结构是通过在微带接地金属板上刻蚀周期或者非周期的形状，从而影响接地板上传导电流的分布，进而改变传输线的特性。DGS构成的微带线主要具有单极点低通特性、慢波效应和高等效特性阻抗三大特性。

DGS的单极点低通特性可以方便提取等效电路参数值，简化电路分析方法，提高电路的分析效率。DGS的慢波特性可以减小微波器件的尺寸，对小型化电路设计具有很好的应用前景。DGS可以实现高特性阻抗，所以带有DGS的微带线可以在微波和毫米波电路中代替高特性阻抗微带线，帮助解决高特性阻抗微带线加工精度困难的问题。由于DGS具有以上特性，使得其成为当前微波毫米波集成电路研究领域的热点问题。在平面谐振器，滤波器，定向藕合器，功分器，振荡器，功率放大器电路和天线中的应用正在不断的被研究和开发。

2DGS结构特性及模型参数提取

DGS是由电磁带隙结构EBG发展而来的，其在结构形式上多种多样，通过在微带线接地金属板上刻蚀周期性的单元结构，以获得设计频段的阻带，其等效电路的提取较EBG结构要简单得多[4-5]。

DGS传输线的结构可以等效为并联的电容和电感，其特性包括：提高介质的等效介电常数、提高传输线的等效电容和电感、低通带阻、慢波、存在截止频率和谐振频率。实验表明DGS的微带线结构具有更高的慢波因子，因此基于DGS结构的电路具有更长的电长度。在设计小型化电路方面具有得天独厚的优势。

一般情况下，DGS结构模型的形状可以分为两大类，包括简单的独立矩形形状和哑铃型形状，如图所示。其中哑铃型的结构根据哑铃结构的不同，又可分为矩形、圆形和三角形[6-7]。

图1　DGS结构类型

DGS等效电路的提取在微波电路设计中，一般根据DGS的频率特性，通常采用集中参数或者分布参数与集中参数相结合的电路单元。所以，在若干个DGS连接时或者DGS与其他电路元件连接时，就可以根据微波网络理论得出电路的总体性能。在微波滤波器设计理论中，可以用电感和电容元件来产生一个衰减极点，DGS也正是具有单极点低通的特性。本节根据DGS等效的LC与单极点Butterworth滤波器[8]的对应关系推导出等效DGS参数的表达式。单极点Butterworth滤波器的低通原型和DGS的等效电路分别如图2和3所示，图中的物理量分别为：g0、g1和g2均为低通原型滤波器的归一化元件，其中g1表示电抗性质元件，量值表示为jXL，g0、g2分别代表信号源和输出端的阻抗，量值均为1。图3中的两个Z0分别代表等效电路的电源内阻和输出端的阻抗，其值均为50欧姆，中间并联LC谐振电路等效电抗值表示为jXLC[9-11]。

图2　一阶单极点Butterworth低通原型滤波器

图3　LC形式的DGS等效电路

DGS等效LC谐振电路的参数L和C的提取过程如下：首先在电磁仿真软件中建立要提取等效电路的DGS结构的模型，仿真出对应结构尺寸DGS的传输特性图，然后从传输特性图中提取出单极点的衰减频率值f0和通阻带过度过程中衰减达3dB的截止频率值fc，由频率值与角频率值的关系算出对应的角频率值w0和wc，最后由谐振条件得到等效电感可表示为：

(1)

可得，整个LC回路的电抗为：

(2)

Butterworth低通原型滤波器的串联感抗可表示为：

(3)

上式中w′为归一化角频率，g1为Butterworth低通原型滤波器的归一化参量值，查表得g1=2。由图2和图3等效关系可得：

(4)

从式上述的公式可以得到等效电路中的电容C可以表达为：

(5)

等效电路的电容值C确定后，给定的DGS单元的电感L可以通过以下等式求得：

(6)

虽然DGS模型的结构形式多样，但基本原理相似。本文采用的矩形哑铃结构，如图4所示，w为特性阻抗为50欧姆的微带传输线，a为接地金属板蚀刻哑铃结构的边长，s为哑铃结构缝隙宽度，d为哑铃结构的中间宽度。本文对方形哑铃的结构参数进行了分析，其参数a、d、s的选择性较大，通过改变参数的值从而改变等效电路的电容和电感的值，导致电路的特性发生变化，而这一变化可以通过软件仿真的方式进行分析。分析可以得出随着s的增加，等效电路的等效电容值减小，f0增加，其他参数变化不大；随着a的增加，等效电路的等效电感增加，f0减小，电容变化不大；随着d增加，等效电路的等效电容和等效电感都增大，f0减小。图4中同时给出了哑铃型缺陷地结构的等效LC并联谐振电路[12]。

图4　DGS结构单元与LC并联谐振电路示意图

运用HFSS软件对哑铃型结构参数进行扫描，图5给出了对哑铃结构的缝隙宽度s的扫描结果，由图可以得到，随着s的增加可以得到谐振频率发生的变化。s的扫描范围为0.4mm、0.8mm和1.2mm，可以看出随着s的增加谐振频率降低。

图5　哑铃DGS结构频率响应特性

3低通滤波器的设计

本文采用哑铃型结构，设计完成了一款截止频率为2GHz的DGS低通滤波器。首先运用HFSS软件对单个哑铃型的结构进行仿真，微带线的特性阻抗仍然选择50欧姆，仿真所使用的介质介电常数为2.55，厚度为0.762mm。图6(a)给出了单个DGS结构的示意图，图6(b)中给出了单个DGS低通滤波器的仿真结果，从仿真结果可以看出，单个结构的频率响应特性已经具备了低通的特性，但是通带内的S21和S11特性一般，阻带内的S21和S11特性较差，阻带内的抑制度不理想。

图6

为了改善上述电路结构的存在的缺陷，可以采用由若干哑铃结构级联组成的组合电路结构。本文采用了DGS级联的电路结构，仿真电路图及其仿真结果如图7所示。仿真结果显示，通过级联的方式，增加哑铃结构的数量，能够改善频率响应特性，特别是阻带宽带增加，阻带抑制加强，仿真结果证实了哑铃型结构DGS低通滤波器的优点，设计完成的截止频率为2GHz的DGS低通滤波器，滤波器的阻带带宽可以达到7倍频程， 通带内S11也由-10dB下降到-20dB，阻带内的S21参数的起伏也明显减小，阻带的宽带也显著变宽，且阻带深度也明显加深。由此可以证明基于多级级联的哑铃型结构的DGS低通滤波器的频率响应特性得到很大的改善。由于滤波器的阻带抑制特性，该种结构的低通滤波器在小型化设计领域具有很好的应用前景，在射频微波功率放大器电路设计领域可以抑制放大器电路的高次谐波，从而提高电路效率。

图7

4结束语

本文分析了低通滤波器器的结构特点，对哑铃型DGS低通滤波器进行了深入的研究，提取电路的等效电路模型，利用仿真软件对哑铃型DGS低通滤波器进行仿真试验，并设计完成一款截止频率为2GHz的低通滤波器。试验仿真结果证明了哑铃型DGS低通滤波器在通带传输和阻带抑制等频率特性具有很大优势。从而证明了可以通过引入哑铃型DGS技术对高次谐波进行很好的抑制，提高功率放大器的输出功率和功率效率。

[参考文献]

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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

[中图分类号]G61

[文献标识码]A

[文章编号]1674-2273(2015)06-0029-04

作者简介][第一 柴豆豆(1986-)，男，安徽亳州人，硕士，合肥师范学院电子信息工程学院助理实验师。

[基金项目]国家青年基金(51207041，61301062)，安徽省高校省级自然科学基金(KJ2012A242)，合肥师范学院校级项目 (2014cxy28, 2014lwpy54，2015QN67)

[收稿日期]2015-05-16