新型缺陷地結(jié)構(gòu)定向耦合器的耦合度研究

引言

隨著通信、電子技術(shù)的發(fā)展，被廣泛使用的微波電路朝著集成化、小型化方向不斷發(fā)展。元件尺寸和性能成為衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)等電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要因素。相繼問(wèn)世的PBG(電磁帶隙)、DGS(缺陷地結(jié)構(gòu))、SIW(基片集成波導(dǎo))等新結(jié)構(gòu)為微波電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的活力。

光子帶隙結(jié)構(gòu)(PhotonicBandgap,PBG)是一種介質(zhì)材料在另一種介質(zhì)材料中周期分布所組成的周期性陣列結(jié)構(gòu)，由于其在某些頻段內(nèi)具有帶阻特性，所以在微波頻段得到了廣泛應(yīng)用。然而PBG結(jié)構(gòu)由于其模型復(fù)雜、周期性特點(diǎn)導(dǎo)致其物理尺寸較大，所以在實(shí)際應(yīng)用中存在一定困難。在此基礎(chǔ)上，韓國(guó)學(xué)者JutrSeekPark和Chui-SooKim等人提出缺陷地結(jié)構(gòu)(DefectedGroundStructure-DGS)，DGS是在微帶、共面波導(dǎo)等傳輸線的接地金屬板上刻蝕周期或非周期的各種柵格結(jié)構(gòu)，以改變電路襯底有效介電常數(shù)的分布，從而改變基于該介質(zhì)上傳輸線的分布電感和分布電容，使此類傳輸線具有帶隙特性和慢波特性。由于DGS的單極點(diǎn)低通特性、慢波效應(yīng)和高特性阻抗等獨(dú)特性能，使得其廣泛應(yīng)用于微波無(wú)源、有源電路、天線等設(shè)計(jì)當(dāng)中。

本文首先研究了DGS的基本特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型定向耦合器，最后分析研究了缺陷地結(jié)構(gòu)對(duì)該耦合器耦合度的影響。

1 DGS的基本結(jié)構(gòu)和特性

傳統(tǒng)的DGS單元為啞鈴型，由兩個(gè)正方形和它們之間的一個(gè)狹槽構(gòu)成。圖1所示為一段缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS),圖中的虛線部分為刻蝕于介質(zhì)襯底的背面接地金屬板上的“啞鈴型”DGS結(jié)構(gòu)。它由兩個(gè)邊長(zhǎng)為的正方形和一個(gè)狹縫組成。狹縫的寬度為給g,其高度與微帶線的寬度一致，均為w,圖2給出了該結(jié)構(gòu)的典型頻率響應(yīng)曲線。由圖2可以看出，DGS結(jié)構(gòu)的微帶線具有高阻特性，能產(chǎn)生明顯的阻帶，該單元可近似等效為一個(gè)并聯(lián)的RLC諧振電路，其等效電路如圖3所示。

DGS單元尺寸的變化會(huì)引起微帶線的等效電感、電容的變化，從而實(shí)現(xiàn)所需的帶阻特性。

2 DGS微帶定向耦合器的分析設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)微帶線定向耦合器為四端口網(wǎng)絡(luò),基本工作原理如圖4所示。當(dāng)電磁波從端口1輸入時(shí),除了有一部分能量直接從端口2輸出外，通過(guò)兩線之間的電磁耦合，還有部分能量從端口3或4輸出。由于電場(chǎng)耦合在副線中向端口3和端口4產(chǎn)生的電壓是等幅同相的，而磁場(chǎng)耦合在副線中向端口3和端口4產(chǎn)生的電壓是等幅反相的。因此，副線中端口4處的電壓是同相疊加，而副線中端口3處的電壓是反向而抵消的，這種定向耦合器稱為反向定向耦合器。