1 引言

DGS （Defected Ground Structure）結(jié)構(gòu)是從光子晶體（Photonic Band Gap）發(fā)展而來的，它是通過在接地板上蝕刻缺陷結(jié)構(gòu)和縫隙來實(shí)現(xiàn)的。所蝕刻的缺陷結(jié)構(gòu)影響了接地板上的電流分布，這種改變可以分別增加傳輸線的有效電容和電感。因此，可以將所提出的DGS結(jié)構(gòu)等效為LC電路。

本文研究了諧振頻率隨DGS單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系。從而可以通過改變該單元結(jié)構(gòu)的物理尺寸很方便的控制其等效電感和電容，從而控制其諧振頻率。采用三維場分析的方法得出所介紹的PBG結(jié)構(gòu)單元的等效電路并提取了其等效電路參數(shù)，通過電磁仿真和電路仿真兩者吻合良好，另外通過將該DGS單元級聯(lián)有效的改善了帶隙特性并設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)雙帶隙的結(jié)構(gòu)。

2 DGS結(jié)構(gòu)單元研究

一維光子帶隙結(jié)構(gòu)單元是利用PCB制版工藝直接蝕刻在微帶電路的接地金屬板上的，制作簡單，實(shí)現(xiàn)方便。圖1是DGS單元的結(jié)構(gòu)示意圖，DGS單元位于導(dǎo)帶正下方。DGS單元的特性主要由方形邊長a，間隙寬度g，間隙長度b決定。設(shè)計(jì)中所選用的介質(zhì)的相對介電常數(shù)er，介質(zhì)厚度h=1.5748mm ，導(dǎo)帶寬度w=1.46mm對應(yīng)于特性阻抗為50om的微帶線。圖2是a=2.5mm，g=0.2mm，b=1.46mm時(shí)對DGS單元進(jìn)行電磁仿真的S參數(shù)結(jié)果。

圖1 DGS單元結(jié)構(gòu)

由圖可見在7.12GHz處有一個(gè)衰減極點(diǎn)，它對應(yīng)于DGS單元所等效LC電路的諧振頻率。由于DGS具有諧振特性，所以可以把本文的DGS等效為電感L電容C并聯(lián)諧振。下面討論了決定DGS單元結(jié)構(gòu)的a，g 和b三個(gè)參數(shù)的變化對S參數(shù)的影響。圖3（a），（b），（c）分別給出了諧振頻率隨a，g 和b三個(gè)參數(shù)的變化關(guān)系。

圖2 DGS單元S參數(shù)仿真結(jié)果

圖3（a） 諧振頻率隨a的變化

圖3（b） 諧振頻率隨g的變化

圖3（c） 中心頻率隨b的變化

以上分析了DGS單元的各個(gè)參數(shù)的變化對諧振頻率的影響，因而通過改變結(jié)構(gòu)單元的物理尺寸可以很方便的控制其等效電感和等效電容。用文獻(xiàn)給出的方法提取了圖2的等效電路參數(shù)并通過電路仿真和電磁仿真分析兩者吻合良好，如圖4所示。因此所得出的DGS結(jié)構(gòu)等效電路參數(shù)可以直接用于實(shí)際電路的分析。

圖4 電磁仿真和電路仿真對比

3 改進(jìn)的DGS周期結(jié)構(gòu)

DGS單元結(jié)構(gòu)雖然可以形成帶隙，但是阻帶帶寬較窄且?guī)渡疃容^小，為了提高帶寬本文通過將N個(gè)DGS單元以周期間距d級聯(lián)（如圖5所示），在取DGS單元尺寸為a=2.5mm，b=w=1.46mm，g=0.2mm的情況下討論了周期間距d以及單元數(shù)N對帶隙深度和帶寬的影響。以五個(gè)單元為例分析了單元間距d對帶隙的影響，仿真分析表明僅當(dāng)d=5mm時(shí)才能產(chǎn)生良好的單帶隙特性且?guī)捄蜕疃让黠@增加如圖6所示。表4為d=5mm時(shí)N取不同值帶隙的中心頻率，最大帶隙深度和-20db帶寬的變化。

圖5 DGS單元級聯(lián)示意圖

圖6 d=5mm時(shí)S參數(shù)仿真結(jié)果

由表1可看出當(dāng)單元數(shù)N增加時(shí)中心頻率變化很小，最大帶隙深度和-20db帶寬均隨著單元數(shù)的增加而增加且增加的幅度都越來越慢，因此N主要影響帶隙深度和帶寬。由圖6可見當(dāng)N＝5時(shí)就能得到很好的帶隙，繼續(xù)增加單元數(shù)時(shí)帶隙深度和寬度變化微弱隙特性沒有明顯的改善且會(huì)造成尺寸變大，制造成本增加。

表1 不同N值的帶隙特性

因?yàn)椴煌膅諧振頻率不同，據(jù)此設(shè)計(jì)了一個(gè)六個(gè)單元級聯(lián)的雙帶隙結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖7（a）所示，六個(gè)單元的a=2.5mm，b=w= 1.46mm，前四個(gè)單元的g=0.5mm后兩個(gè)g=0.1mm，經(jīng)過仿真分析當(dāng)單元間距d=6mm時(shí)可以得到良好的雙帶隙其S參數(shù)仿真結(jié)果如圖7（b）所示。

圖7（a） 雙帶隙結(jié)構(gòu)示意圖

圖7（b） S參數(shù)仿真結(jié)果

由圖7（b）可看出圖7（a）所示的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了雙帶隙，第一個(gè)和第二個(gè)帶隙的中心頻率分別為7GHz和10.48Hz，兩個(gè)帶隙的-20db帶寬分別為40.7%和22.4%。

4 結(jié)論

本文介紹了一種直接蝕刻在接地金屬板上的一維DGS結(jié)構(gòu)，并采用三維場仿真方法對影響單元帶隙特性的參數(shù)進(jìn)行了研究，得出了各參數(shù)對諧振頻率影響的變化關(guān)系，這樣就可以通過調(diào)節(jié)單元的物理尺寸很方便的控制等效電容和等效電感。分析了其等效電路并提取了等效電路參數(shù)，可以將所提取出的等效電路參數(shù)直接用于實(shí)際的電路分析。進(jìn)一步研究了單元數(shù)對帶隙特性的影響，得出了對帶隙特性具有明顯改善的最佳單元數(shù)并設(shè)計(jì)了一種能產(chǎn)生雙帶隙的結(jié)構(gòu)。