周期性缺陷接地结构的微带线.doc

2012-07-19#2012-07-19#2#0#12-07-19#3周期性缺陷接地结构的微带线刘海文1 ,2孙晓玮3李征帆2孙玲玲1(1 . 杭州电子科技大学微电子 CAD 所 ,liuhaiwen1975 yahoo . co m ,浙江 杭州 310018 ;2 . 上海交通大学电子工程系 ,上海 200030 ;3 . 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 ,上海 200050)摘 要 基于单元缺陷接地结构 (D GS) 等效电路模型 ,研究了周期性缺陷接地结构微带线的色散关系 ,并给出其阻带的快速估算方法 。为提高微波电路的集成度和灵 活性 ,提出了基于周期性 D GS 结构弯折型微带线 ,分析其带阻特性 、色散特性和阻抗 特性 。实验证明 ,该结构在 47 GHz 之间具有良好的宽阻带特性 。关键词 缺陷接地结构 ,阻带 ,色散 ,弯折型微带线中图分类号TN45 ; TN713文献标识码AMicrostrip l ines wit h periodic def ected groun d structuresL IU Ha i2wen1 , 2S UN Xiao2wei3 L I Zheng2fan2S UN L ing2l ing1( 1 . M ic roelect ronic CA D Ce nte r H a n g z hou D i a nz i U ni ve rsi t y , l i u h ai w en1975 y a hoo. com , H an g z hou Z he j i a n g 310018 , Chi na ; 2 . De p t. Elect roni c En g i nee ri n g ,S J T U , S h an g h ai 200030 , Chi n a; 3 . S ha n g h ai I ns t i t ute o f M ic ros y s te man d I n f o rm at i on Tec h . , CA S , S h an g h ai 200050 , Chi n a )AbstractBa se d o n equivale nt ci rc uit mo del of unit def ect e d gro und st r uct ure( D GS) , t hi s p ap er st udie s t he di sp er sio n eff ect s of p erio dic D GS a nd p ropo se s a f a stmet ho d to e sti mat e t he stop ba nd locatio n of t he p erio dic D GS. In o r de r to i mp ro ve t he i nt egratio n degree a nd f le xi bilit y , a mea nde r micro st rip li ne wit h p e rio dic D GS i s de si gned . It s ba nd stop cha ract e ri stic s , di sp e r sio n cha ract e ri stic s a nd cha ract eri s2 tic i mp e da nce a re a nal yze d. The mea sured dat a sho w t he p ropo se d st r uct ure ha s a wide stop ba nd f ro m 4 to 7 GHz .Key words def ect ed gro und st r uct ure ( D GS) , stop ba nd , di sp e r sio n , mea nde r mi2cro st rip li ne性 3 。这一技术革新 ,引发 PB G 结构 ( 或叫电磁带隙 结构 , EB G 结构) 在微波毫米波电路中的研究和应用高潮 46 。然 而 , PB G 结 构 在 光 学 领 域 中 , 由 于 其尺寸是微米级 ,增大了传统工艺的加工难度 。在 单片集成电路实际应用中也面临应用受限 ,例如 ,在 微波毫米波电路中 , PB G 结构尺寸过大 , 往往达到 厘米级 ,甚至分米级 7 ,8 。1999 年韩国 Dal A h n 课题组提出一种新颖接引言1研究电磁波在人工周期性结构中传播的历史可追溯到半个世纪前 1 。人们发现 ,电磁波经过周期 性结 构 调 制 后 , 频 谱 上 可 产 生 禁 带 ( stop2ba nd ) 。1983 年 , Ru bi n 等人首次报导了 , 刻蚀在电路 接 地 板上周期性分布的缝隙 ,对导波传播特性影响的研 究 2 。1998 年 , Ra di sic 等人明确提出 ,在接地板上构造光子带隙结构 ( PB G) ,可使微带线产生带阻特2012-07-19#2012-07-19#2#0#12-07-19#地系统 缺陷接地结构 ( Def ect ed gro und st r uc2t ure ,简称 D GS) 9 。D GS 结构 ,是通过在接地板上 刻蚀缺损图形 ,以改变电 路衬底介质的有效介电常数 ,从而改变微带线的分布参数 ,使得微带线具有带阻特性和慢波特性 。与 PB G 结构 相 比 , D GS 结 构 仅由 1 个缺陷单元构成 ,它的阻带中心频率仅由该 缺陷单元结构决定 ,而 PB G 结构是由若干个单元组 成的阵列 ,它的阻带中心频率由阵列间距 、排列方式和单元几何结构等诸多因素决定 10 。因此 ,D GS 结 构具有简单紧凑 ,易于电路建模 ,灵活的周期性和非 周期性的组合方式等诸多优点 ,更适于微波毫米波 集成电路实际应用 。目前 ,D GS 结构广泛用于耦合 线 、滤波器 、功分器 、射频开关 、振荡器 、放大器和天线设计等 ,几乎涉及整个无线通信系统收发前端各部件和模块 11 ,12 。基于 D GS 结构的前期研究工作 1317 , 本文着 重讨论周期性 D GS 结构的等效电路模型建立及其 阻带的快速估算方法 。然后 ,分析基于周期性 D GS结构弯折型微带线的传播特性和色散特性 ,并给出 传输特性的实验结果加以验证 。图 1 周期性 D GS 结构微带线示意图图 2 单元 D GS 结构微带线传输特性的模拟结果( 不包含两端 d/ 2 的微带线)周期性 D GS 结构及其阻带的估算间距为 d 的周期性 D GS 结构微带线示意图如 图 1 所示 。虚线部分为刻蚀于介质衬底背面接地金 属板上的“哑铃”型单元 D GS 结构 ,它由两个边长为 a 的方格和一个狭缝组成 。狭缝的宽度为 g , 其高 度与微带线宽度一致 , 均为 w 。图中方格也可采用 矩形 、扇形 、圆形等形状替代 。取 D GS 结构尺寸参 数 a 、g 、w 分别为 3 mm 、0 . 2 mm 、1 . 55 mm 。衬底 介质介电常数为 9 . 8 、厚度为 1 . 575 mm 。采用电磁 场分析软件 En se mble 8 . 0 , 单 元 D GS 结 构微 带 线 的模拟传输特性如图 2 所示 。图 2 表明 ,无需周期 性结构 ,单个 D GS 缺陷单元构成的微带线在某些频 率上具有截止频率和衰减极点 ,能产生明显的阻带 , 并可用一个 L C 谐振电路来等效建模 。D GS 缺陷单 元中方格的作用可等效为一个电感 ,缝隙的作用可 等效为一个电容 ,如图 3 所示 。其中传输线电长度 为= k0 / 2 , 特性阻抗为 Z0 = 50 , k0 为自由空间波 数 。等效电路中 L 和 C ,由下式求得2图 3 单元 D GS 结构微带线的等效电路模型- 3dB 衰减处的截止频率 。研究证明 9 ,方格边长 a 增加 ,等效于微带线的 有效电感增大 ,对于 L C 谐振网络而言 ,其谐振频率 (也即阻 带中 心频 率) 相应 的 降低 。缝 隙 的 宽 度 g增加 ,等效于微带线的有效电容减小 ,对于 L C 谐振网络而言 , 其谐振频率会相应的提高 。因此 , 改变参 数 a 和 g ,可有效调控阻带中心频率的位置 。图 3 中电路响应可表示为V nV n+1ACBD(3)=I nI n+1其中 ,f cco s ( k0 d)j Z si n ( k0 d)( f 2- f 2 )(1)C =oc0200122A BCD=j si n ( k0 d)(2)L =42 f 2 C 2 k0 doco s ()Z02其中 , f o 和 f c 分别为阻带中心频率 ( 谐振频率) 和co s ( k0 d) )j Z si n ( k0 d)02210Zj si n ( k0 d)12co s ( k0 d)2Z0(4a)(4 b)1Z =jC + 1/ ( jL )= 2f 为角频 , k0 为自由空间中波数 。电磁波在无耗传输线中传播 (为传播常数) ,则有图 5 周期性 D GS 结构微带线的传输特性d= e - j(5)(6)V n+1I n+1V nd= e - jI n使用 Mat la b 程序估算时间约为 5 s , 而采用矩量法计算 ,时间约为 9 mi n 。(计算机环境 :奔 4C PU 主频2 . 6 GHz 和 0 . 9 GB 的内存)所以 ,结合式 (3) 、(5) 、(6) ,有e - jdCA -Be - jdV n00(7)=D -In3基于周期性 D GS 的弯折型微带线为提高微波电路的集成度和灵活性 ,直型微带由 (7) 式存在本征解 、电网络对称性和互易性等约束条件 18 ,可得周期性 D GS 结构微带线的色散 关系线往往被弯折型微带线替代 19 。将周期性 D GS 结构用于弯折型微带线 ,结构如图 6 所示 。取 D GS 结 构尺寸参 数 a 、g 、w 分 别 为 3 mm 、0 . 2 mm 、1 . 55 mm 。衬底介质为氧化铝陶瓷 ,其介电常数为 10 、厚 度为 1 . 575 mm 。该结构传输特性的模拟和测试结 果对比如图 7 所示 。图 7 表明 ,周期性 D GS 结构弯折型微带线在 47 GHz 之间具有良好的宽阻带特性 。图 8 是该结构传输特性的相位特性 ,并加入一 等长度弯折型微带线 ( 无周期性 D GS 结构) 的相位 特性作为参照 。D GS 结构微带线慢波特性一般采 用慢波因子描述 。慢波因子由下式算得= co s d= A + Dco s (d )-2cLd(8)si n ()2 Z0 ( 1 - 2 L C)c由图 2 可确定 f o 和 f c 分别为 4 . 897 GHz 和6 . 006 GHz 。代入式 ( 1 ) 、( 2 ) , 得 到 L = 1 . 1243 n H和 C = 0 . 6145p F 。取 d = 0 . 04 m ,代入式 ( 8) ,得到 色散关系结果 ,如图 4 所示 。在 4 . 6 6 . 3 GHz 之间 ,co s (d) 大于 1 ,说明该频率范围内式 ( 8) 无解 ,即电磁波 在 该 频 率 范 围 内 禁 止 传 播 , 是 为 周 期 性 D GS 结构的阻带 。图 5 对比了 3 个周期单元和 5 个周期单元 D GS 结构的传输特性 ,两者的阻带范围约为 5 . 026 . 15 GHz 和 4 . 956 . 75 。因此 ,式 (8)能较好的估算周期性 D GS 结构的阻带范围 。并且 , ( )0 fS W F ( f ) =+ ef f(9)360 L- 0 . 5r + 1r - 1hef f1 + 12w(10)=+22其中 L 为微带线的物理长度 ,ef f 为普通微带线的有效介电常数 ,( f ) 为有 、无 D GS 结构时 S21 的相 位差 。D GS 导致的慢波效应 ,由 ( f ) 表征 。当没 有加入 D GS 时 ,( f ) 为零 。基于 S21 的相位特性 ,并根据式 ( 9) 、( 10) ,图 9对比了普通微带线和周期性 D GS 结构弯折型微带 线的慢波因子 。在 3 . 5 GHz 处 , 加入 周 期性 D GS 结构 后 , 慢 波 因 子 从 2 . 61 增 加 到 3 . 62 , 提 高 了39 % 。微带线的 AB CD 矩阵为图 4 周期性 D GS 结构微带线的色散关系co shlsi nhl / ZcZ c si nlABC D(11)=co shl图 9 弯折型微带线慢波因子计算值其中 , Z0 , T 为 微 波 测 试 系 统 阻 抗 ( 一 般 取 为50) 。根据式 (12) ,求得周期性 D GS 结构弯折型微带 线的特性阻 抗 , 如图 10 所示 。频率 低 于 2 . 5 GHz 时 ,特性阻抗的虚部接近零 ,实部则随频率的增加而 增加 。在 2 . 5 GHz 时 , 特 性 阻 抗 值 达 到 93。比50 提高了 86 % 。图 6 周期性 D GS 结构弯折型微带线示意图图 7 周期性 D GS 结构弯折型微带线传输特性图 10 周期性 D GS 结构弯折型微带线特性阻抗计算值结论分析了周期性 D GS 结构的等效电路模型建立 及周期性 D GS 结构阻带的确定方法 ,并分别给出 3 个和 5 个周期单元 D GS 结构的传输特性予以验证 。 然后 ,分析基于周期性 D GS 结构弯折型微带线的传 播特性 、慢波因子和特性阻抗 ,并给出传输特性的实 验结果加以验证 。结果表明 ,该结构在 47 GHz 之 间具有良好的宽阻带特性 。简单紧凑的周期性 D GS 结构具有良好的阻带 特性和慢波特性 ,可用于谐波抑制 、去噪等方面 ,构 造紧致的电路结构 20 ,因此 ,在微波毫米波单片集4图 8 弯折型微带线相位特性其中 和 Z c 分别为 D GS 结构微带线的复数传播因子和特征阻抗 。考虑微带线的损耗 ,由 AB CD 矩阵参数和 S 参 数的关系 ,可得到 20 BZc () =C( 1 + S11 ) ( 1 + S22 )-S12 S21= Z0 , T( 1 - S 1 - S2211 ) ()-S12 S21(12)L iu H W , L i Z F , Sun X W , et al . . A n imp ro ved 12D p erio d def ected gro und st r uct ure fo r micro st rip line . IE E E Micro wave a nd Wirele ss Co mpo nent s L et2 ter sJ . 2004 , 14 (4) :1802182 .L iu H W , Sun X W , L i Z F , et al . . A no vel t wo2di2mensio nal (22D) def ected gro und ar ray fo r pla nar cir2 cuit s J . IEIC E Tra nsactio n o n Elect ro nics , 2004 , E872C (1) :1092112 .L iu H W , L i Z F , Sun X W , et al1 . Har mo nic sup2p re ssio n wit h p ho to nic bandgap a nd def ected gro und st r uct ure fo r a micro st rip p atch a ntenna J 1 IE E E Mi2 cro wave a nd Wirele ss Co mpo nent s L et t . , 2005 , 15 (2) :1302131 .L iu H W , L i Z F , Sun X W. Co upling co nt rol in mi2cro st rip line s using no nunifo r m bidef ected gro und st r uct ures J . Micro wave a nd Op tical Tech. L et ter s ,2005 , 44 (5) : 4752477 .Poza r D W. Micro wave engineering M . 2 nd ed. , N Y : Wiley , 1998 : 2062208 .Chen C and C Tzua ng. 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