基本介紹
概念,一種套用於微波平面電路的DGS新技術,DGS結構簡介及其等效電路,基於HFSS軟體的 DGS結構仿真分析和比較,研究結論,波概念疊代法在微波平面電路中的套用研究,微波平面電路及其研究現狀,波概念疊代法原理,波概念疊代法分析微帶貼片天線,
概念
微波平面電路是介於一維的傳輸線電路與三維的波導立體電路之間的二維分布參數電路。利用它可以構成不同功能的微波元件，如濾波器、振盪器等。常用的非對稱型平面電路（圖1）與微帶線輸入、 輸出電路相連，這種電路沿x、y方向的尺寸與波長的數量級相當，而沿z方向的尺寸h遠小于波長。因此，輸入微帶線激勵的電磁場在中心導體片與接地板之間的空間裡振盪，其電場只有z分量（不計邊緣場），磁場平行於xy平面,是TM模(對z而言),且場強僅為x、y的函式,與z無關。此外，還有對稱型(圖2)和空腔型（圖3）兩種結構。對稱型和非對稱型結構的基片邊界是開路的，空腔型結構的基片邊界是短路的。
由於平面電路的阻抗甚低，容易與半導體二極體匹配,可用作變容管調諧的體效應管振盪器的諧振迴路等。
一種套用於微波平面電路的DGS新技術
在廣泛使用MIC和MMIC技術的微波平面電路設計中，小型化設計研究已經成為一門非常重要的課題。針對這個研究方向，Jong-Sik Lim、 Jun-Seok Park 等人提出了DGS(Defected Ground Structure)結構(非理想地平面結構)，DGS起源於光波領域，是光子帶隙結構(PBG)的一種發展形式，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結構特性及其在小型化設計中的套用受到了越來越多工程設計人員的重視。其特性主要為：①呈現低通帶阻特性；②提高介質的等效介質電常數；③提高傳輸線的等效電容和電感。DGS結構能夠產生很多慢波因子(Slow Wave Factor)，使得插入這種結構的傳輸線在相同物理長度的情況下，具有比普通傳輸線更長的電長度，而為了在匹配網路中保持相同的電長度，其物理長度自然就要減短，從而達到小型化的設計要求。
圖 1 單元 DGS結構示意圖
圖 2 周期 DGS結構示意圖
圖 1 單元 DGS結構示意圖圖 2 周期 DGS結構示意圖DGS結構簡介及其等效電路
常規DGS結構，如普遍使用的dum bbell-DGS，其蝕刻的柵格形狀類似啞鈴，在圖 1中顯示了單個的DGS單元結構，柵格形狀由兩個長寬為a、b的矩形和相連距離為w，寬度為g的縫隙組成，縫隙的長度與傳輸線的寬度等同，而且介質襯底的厚度h和其相對介電常數都是固定的，因此，DGS結構的特性就由矩形面積和縫隙寬度決定。
圖3 單元DGS結構的等效電路模型
圖3 單元DGS結構的等效電路模型圖2給出了周期DGS結構示意圖，每個單元之間的周期間距為s。單元DGS結構的等效電路可以近似為並聯LC電路，如圖3( a)所示(虛線框格內為DGS結構等效部分)。為了能夠直接套用在實際工程電路設計中，需要提取並聯LC等效電路的參數。由於單元 DGS結構在某些頻率上具有截止頻率和衰減極點，可以等效為低通濾波器。通過場分析和等效電路模型的計算比較，兩者模擬結果基本一致，說明等效電路在一定頻段內可以替代DGS，這樣就可以將 DGS等效模型嵌入電路分析和設計軟體，進行快速分析由圖4可知，在物理長度L相等的情況下，三種傳輸線的電長度不相等：θ<θ ′<θ "，說明了螺旋型DGS結構的慢波因子最多，啞鈴型 DGS結構次之，常規傳輸線最少。在相同電長度的要求下，常規傳輸的物理長度最長，而插入螺旋型DGS結構的傳輸線最短，這在小型化設計中有著非常重要的意義。
圖4 插入螺旋型 DGS結構的微帶傳輸線構圖
圖4 插入螺旋型 DGS結構的微帶傳輸線構圖基於HFSS軟體的 DGS結構仿真分析和比較
由文獻中提出的方法可知，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。一般說來，蝕刻單元的長度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結構的特性。Ansoft HFSS V9.2是三維高頻電磁場仿真軟體，採用有限元分析方法可對任意無源結構的電磁場模型進行仿真，功能非常強大。 我們通過對單元 dumbbell-DGS結構進行仿真，改變蝕刻單元的尺寸，觀察比較等效電感和電容的變化對 DGS結構特性的影響。與相同蝕刻面積的單元dum bbell-DGS結構相比，周期DGS結構其阻帶的中心頻率變化很小，周期DGS結構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結構的諧振頻率決定的，這對我們在DGS結構的設計過程中起著重要的指導作用。
研究結論
研究介紹了廣泛套用於微波平面電路小型化設計領域的一種 DGS結構。分析和仿真結果表明DGS作為一種周期性結構，其構造簡單、性能優越、而且易於設計和實現。即使不存在周期結構，DGS單元在某些頻率點上也具有諧振和低通帶阻特性。周期 DGS結構影響的是阻帶的寬度和深度，表現為超寬頻特性；阻帶的中心頻率則是由單元DGS結構的諧振頻率決定的。我們可以充分利用 DGS結構的帶阻特性抑制諧波分量，從而提高微波器件性能，以獲得常規技術無法實現的小型化和高性能。
波概念疊代法在微波平面電路中的套用研究
隨著微波積體電路的不斷發展，微波電路在電路結構、幾何形狀、材料性質、電磁環境等方面都變得日益複雜，如何準確而有效地對微波電路展開分析變得極其重要。起初人們利用Maxwell方程及其邊界條件來分析電路，然而由於Maxwell方程包含了空間坐標函式的矢量場量的矢量微分或積分運算，數學計算的難度很大，對於一些複雜的電路結構甚至無法直接求解。計算機的出現和發展，開創了電磁場計算的新時代。20世紀60年代，幾種適應於在計算機上進行大型計算的電磁場數值計算方法陸續出現。1968年，Harrington的《計算電磁場的矩量法》(Field Computation by Moment Method)的出版宣告計算電磁學的創立。常用的數值方法有基於積分方程的矩量法(Method of Moment，MOM)及其快速算法(如快速多極子)，基於微分方程的有限元法(Finite Element Method，FEM)和時域有限差分法(Finite Difference Time Domain Method，FDTD)等。
微波平面電路及其研究現狀
微波電路開始於20世紀40年代套用的立體微波電路，是一種把有源和無源器件集成在同一塊半導體基片上的微波電路，它由波導傳輸線、波導元件、諧振腔和微波電子管等組成的，廣泛用於各種電路及技術中。隨著微波固態器件的發展以及分布型傳輸線的出現，20世紀60年代初，出現了微波平面電路，它是由微帶線、共面波導、槽線、集總元件、微波固態器件等無源微波器件和有源微波元件利用擴散、外延、沉積、蝕刻等各種加工製造技術，製作在一塊半導體基片上的微波混合積體電路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC)，屬於第二代微波電路。與傳統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、避免複雜的機械加工、易與波導器件集成等優點，可以適應當時迅速發展起來的小型微波固體器件；又由於其性能好、可靠性強、使用方便等優點，因此被用於各種微波整機。從20世紀80年代開始，國際上微波電路技術已經從傳統的波導及同軸線元器件和系統轉移到採用微波平面電路。除了某些大功率和高極化純度的場合，微波平面電路已經幾乎取代了各種常規形式的微波電路，是當前微波領域的主要研究對象。
在微波平面電路的技術發展歷程中，砷化鎵(GaAs)是使用最廣泛的基片材料。然而隨著頻率的提高，具有周期結構的新型人工材料如頻率選擇表面、左手媒質、光子帶隙材料為提高微波電路的性能提供了新的手段，同時也對分析和設計提出了新的要求。頻率選擇表面由於具有帶阻或帶通特性，在微波與毫米波領域套用範圍越來越廣，是微波工程領域的前沿問題之一。
波概念疊代法原理
波概念疊代法是一種結合了傳輸線理論與傅立葉模式變換的快速算法。這種方法根據所研究的電路結構確定分界面，然後根據電路表面的切向電場和電流密度引入波的概念，通過對電路表面進行剖分格線來建立電路模型，利用空域散射運算元表示空域波之間的關係，利用譜域反射運算元描述譜域波之間的關係，由於該方法概念清晰、模型建立簡單、計算效率高，因此得到了很快的發展。
引入的空域波在電路表面發生散射，其關係由空域散射運算元表示，空域散射運算元可以表示為矩陣的形式，其矩陣元素與電路表面剖分的格線單元一一對應。下面討論空域散射運算元的建立過程。將電路表面均勻剖分成小矩形格線，根據其不同結構，可以將整個電路表面區域劃分為金屬(Metal)、介質(Dielectric)、源(Source)區域以及其它區域(圖5所示)，各個子區域擁有不同的邊界條件，然後根據波概念方程及各個子區域的邊界條件得到空域波在對應區域的散射關係，從而得到空域散射運算元。
圖5 微波平面電路表面區域劃分
圖5 微波平面電路表面區域劃分波概念疊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，它具有如下優點：體積小，重量輕，低剖面，製造簡單，成本低，可以和積體電路兼容等；電器上的特點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，易於和微帶電路集成，易於實現線極化或圓極化。相同結構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頻寬。已研製成了各種類型平面結構的印製天線，如微帶貼片天線、帶線縫隙天線、背腔印製天線以及印製偶極子天線。微帶貼片天線在一塊厚度遠小于波長的介質基片上，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貼片饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，並通過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，也可以是窄長條形的薄片振子(偶極子)。微帶貼片天線已廣泛套用于軍事、移動通信、航空航天、衛星通信等領域。
波概念疊代法在分析微帶天線時，只對天線的不連續性表面剖分格線，微帶線饋電或同軸探針激勵處的區域定義為源區域，貼片所在區域為金屬區域，其他為介質區域，根據各自區域的邊界條件建立空域散射運算元，表征空域波之間的關係；電路表面之外的區域利用傳輸線理論等效，電路模型建立簡單；利用空域波在分界面的散射和譜域波在上下區域的反射關係展開疊代運算，避免了基函式的選取和大矩陣的求逆，簡化了運算；空域和譜域波之間的互動採用傅立葉模式變換實現，提高了計算速度。可以看出波概念疊代法特別適合於分析微波平面電路。
