CN102176527B - 一种新型缺陷微带结构及其谐振频率的精确调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型缺陷微带结构及其谐振频率的精确调整方法，可应用于微波与毫米波领域的滤波器、功分器和放大器等器件中。该缺陷微带结构是在微带线的中央刻蚀U形槽缺陷结构。该结构易于设计，尺寸小，具有良好的带阻特性。

Description

一种新型缺陷微带结构及其谐振频率的精确调整方法

技术领域

本发明涉及一种微带线结构，特别涉及一种具有带阻特性的缺陷微带结构，该结构可应用于微波与毫米波领域的滤波器、功分器和放大器等器件中。

背景技术

近年来，缺陷地结构(DGS)、光子带隙(PBG)和电磁带隙(EBG)等结构，都显示出了很好的带阻特性，但是，若想获得更宽的带宽和更好的频率响应特性，它们都需要四个甚至更多的单元才能实现，这样必然会使电路变得庞杂并且会带来更多的传输损耗，而且，PBG、EBG和DGS都需要在背面的接地板上进行刻蚀工艺，额外的位置要求将增加加工的难度。另外一种平面结构叫做缺陷微带结构(DMS)，它无需在接地板上进行刻蚀即可获得良好的带阻特性。M.Kazerooni等人于2009年莫斯科举办的Progress In ElectromagneticsResearch Symposium Proceedings会议上发表的“A New Microwave BandstopFilter Using Defected Microstrip Structure(DMS)”文章中，以及在2006年出版的Progress In Electromagnetics Research期刊第63卷上发表的“Design andApplications of Array Defected Microstrip Structure(ADMS)Filters UsingRigorously Coupled Multi-strip(RCMS)Method”文章中均采用了一种T型DMS结构，该结构的缺点在于，当工作频率处于微波、毫米波段相对较低的频段时，特别是形成阵列后，占用微带线的空间相对较大。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出一种新型缺陷微带结构，该结构为U形槽缺陷微带结构，具有良好的带阻特性。

本发明采用如下的技术方案：

一种缺陷微带结构，缺陷结构为U形槽线，图1所示为U形槽缺陷微带结构(USS-DMS)示意图，槽线刻蚀于微带线的中部，将微带线一101分割成三条微带线微带线二102、微带线三103和微带线四104的连接，U形槽线的开口方向朝向信号输入端或输出端均可，信号可由微带线的左端输入，右端输出，呈现带阻特性。

图1中，微带线二102和微带线四104的线宽和线长相等，W₁和L₁设为微带线二102和微带线四104的线宽和线长，W₂和L₂为微带线三103的线宽和线长，槽线一105和槽线二106宽度相等，设为G。采用传输线网络分析理论来分析该结构，可得到该结构相应的谐振频率。

图2所示为USS-DMS相对应的网络连接。整个网络可以看成是三个子网络的连接，子网络N₁、N₂和N₃分别对应于微带线二102，微带线三103和微带线四104，根据图2的网络结构和无耗传输线理论，可得到相应的ABCD参数

$\left\{\begin{array}{cc}A=\cos {\mathrm{\θ}}_1& C=\frac{j2Z_2\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_2+Z_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_2}{Z_1{Z}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2}\\ B=\frac{j{Z}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1}{2}& D=\frac{2Z_2\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_2-Z_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_2}{2Z_2\cos {\mathrm{\θ}}_2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，θ₁＝β₁L₁，θ₂＝β₂L₂，β₁和β₂代表相应的传播常数，Z₁和Z₂分别是宽度为W₁和W₂传输线的特征阻抗。传播常数的表达式为

$S_{21}=\frac{2}{A+B/Z_0+{\mathrm{CZ}}_0+D}---\left(2\right)$

其中，Z₀＝50Ω代表端口阻抗。该结构可在|S₂₁|＝0的频率点产生传输零点，在这些频率点附近可形成传输阻带。这种情况下可以得到

cosθ₂＝0                    (3)

根据式(3)，谐振频率可以定义为：

${\mathrm{\θ}}_2=\frac{2n+1}{2}\mathrm{\π}$ n＝0，1，2…            (4)

$f_0=\frac{c(2n+1)}{4L_2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}2}}}$ n＝0，1，2…            (5)

其中，f₀为设计谐振频率，c＝3×10⁸m/s，ε_re2是微带线三103的有效介电常数，该常数可根据线宽W₂和相应的基板参数计算得到。根据以上的分析可知，USS-DMS具有带阻特性，其谐振频率主要取决于L₂和W₂的取值。

实现新型缺陷微带结构谐振频率的精确调整方法，包括如下步骤：

(1)给出微带线三103的线宽W₂的初步取值，优选值为微带线一101线宽的25％左右，根据公式

取n＝0，f₀为设计谐振频率，c＝3×10⁸m/s，ε_re2是微带线三103的有效介电常数，该常数可根据线宽W₂和相应的基板参数计算得到，从而进一步计算得到微带线三103的线长L₂的值；

(2)调节微带线二102和微带线四104的线长L₁，给出微带线二102和微带线四104线宽W₁和槽线一105和槽线二106的宽度G的初步取值，优选值为微带线一101线宽的20％，对L₁进行微调，以L＝L₂+G为中心值，调节范围为L的20％左右，最接近设计谐振频率时的L₁的值，即为L₁最终的取值；

(3)调节微带线二102和微带线四104的线宽W₁，以微带线一101线宽的20％为中心值，调节范围为W₁的60％左右，其余参数取值保持不变，最接近设计谐振频率时的W₁的值，即为W₁最终的取值；

(4)调节槽线一105和槽线二106的宽度G，以微带线一101线宽的20％为中心值，调节范围为G的60％左右，其余参数取值保持不变，达到设计谐振频率时的G的值，即为G最终的取值。

本发明的有益效果是，U形槽缺陷微带结构尺寸小，相同工作频率下，其尺寸仅为T形槽缺陷微带结构的二分之一。该结构易于设计、加工工艺简单，无需在背面接地板上进行刻蚀工艺，也无需添加任何其它器件，即可获得较好的带阻特性，非常适合于微波、毫米波领域器件的制造。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明U形槽缺陷微带结构的结构示意图。图中：101-微带线一，102-微带线二，103-微带线三，104-微带线四，105-槽线一，106-槽线二。

图2是本发明U形槽缺陷微带结构相对应的网络连接。

图3是实施例USS-DMS单元的传输特性和反射特性的仿真结果。

图4是实施例USS-DMS单元的谐振频率f₀随L₁的变化曲线。

图5是实施例USS-DMS单元的谐振频率f₀随W₁的变化曲线。

图6是实施例USS-DMS单元的谐振频率f₀随G的变化曲线。

图7是微调后实施例USS-DMS单元的传输特性和反射特性的仿真结果。

具体实施方式

图1所示为USS-DMS示意图，槽线成U形结构，槽线一105和槽线二106宽度相等。U形槽线刻蚀于微带线一101的中部，将微带线分割成微带线二102，微带线三103和微带线四104的连接。其中微带线三103位于微带线一101线宽的二分之一处，微带线三103一端与微带线一101相连，另一端悬空。微带线二102和微带线四104两端均与微带线一101相连，微带线二102位于槽线一105的上方，微带线四104位于槽线二106的下方，微带线二102和微带线四104的线长和线宽均相等。U形槽线的开口方向朝向信号输入端或输出端均可，信号可由微带线的左端输入，右端输出，呈现带阻特性。

实施例USS-DMS单元的基板参数为：厚度h＝1.14mm，相对介电常数ε_r＝3.2。实施例设计谐振频率为4.54GHz。参考图1，令微带线101的线宽W＝2.7mm，取W₁＝G＝0.5mm，W₂＝0.7mm，结合技术方案可知当n＝0时，L₂＝10.78mm，由于USS-DMS单元的谐振频率主要取决于L₂和W₂的取值，这里不妨令槽线宽度处处相等，这样L₁＝11.28mm，此时实施例USS-DMS单元的传输特性和反射特性的仿真结果如图3所示。可知，谐振频率为4.62GHz，偏移了设计的谐振频率，需要对其它参数进行微调。

首先调节L₁，取W₁＝G＝0.5mm，W₂＝0.7mm，L₂＝10.78mm保持不变，L₁在10.88～12.78mm之间变化。谐振频率f₀随L₁的变化曲线如图4所示。可知，虽然USS-DMS单元的谐振频率主要取决于L₂和W₂的取值，但随L₁的变化，谐振频率存在微小的变化。随着L₁的增大，f₀也有逐渐增大的趋势，当L₁增大到11.58mm左右以后，f₀不再继续增大，基本维持在4.63GHz至4.65GHz之间。取最接近设计谐振频率的值，此时，L₁＝10.98mm，f₀＝4.56GHz。

接着调节W₁，取G＝0.5mm，W₂＝0.7mm，L₂＝10.78mm，L₁＝10.98mm保持不变，W₁在0.1～1.0mm之间变化。谐振频率f₀随W₁的变化曲线如图5所示。可知，f₀随W₁的变化并不明显，基本集中在4.54GHz至4.59GHz之间。当W₁＝0.7mm时，f₀＝4.54GHz，已经达到设计要求，为了讨论完整，接下来继续讨论U形槽线长边线宽G对于谐振频率f₀的影响。

最后调节G，取W₁＝W₂＝0.7mm，L₂＝10.78mm，L₁＝10.98mm保持不变，G在0.1～0.8mm之间变化。谐振频率f₀随G的变化曲线如图6所示。可知，f₀随G增大逐渐减小，当G＝0.5mm时，f₀＝4.54GHz。

实施例USS-DMS单元的最终取值为W₁＝W₂＝0.7mm，L₂＝10.78mm，L₁＝10.98mm，G＝0.5mm。尺寸微调后实施例USS-DMS单元的传输特性和反射特性的仿真结果如图7所示。f₀＝4.54GHz，和设计的谐振频率相符，且反射特性也优于图3所示的结果。

U形槽缺陷微带结构谐振频率的精确调整方法包括如下步骤：

(1)给出微带线三103的线宽W₂的初步取值，优选值为微带线一101线宽的25％左右。根据公式取n＝0，其中，f₀为设计谐振频率，c＝3×10⁸m/s，ε_re2是微带线三103的有效介电常数，该常数可根据线宽W₂和相应的基板参数计算得到，从而进一步计算得到微带线三103的线长L₂的值。

(2)调节微带线二102和微带线四104的线长L₁。给出微带线二102和微带线四104线宽W₁和槽线一105和槽线二106的宽度G的初步取值，优选值为微带线一101线宽的20％。对L₁进行微调，以L＝L₂+G为中心值，调节范围为L的20％左右。最接近设计谐振频率时的L₁的值，即为L₁最终的取值。

(3)调节微带线二102和微带线四104的线宽W₁。以微带线一101线宽的20％为中心值，调节范围为W₁的60％左右，其余参数取值保持不变。最接近设计谐振频率时的W₁的值，即为W₁最终的取值。

(4)调节槽线一105和槽线二106的宽度G。以微带线一101线宽的20％为中心值，调节范围为G的60％左右，其余参数取值保持不变。达到设计谐振频率时的G的值，即为G最终的取值。

根据上述调整步骤，最终可使U形槽缺陷微带结构达到设计的谐振频率。

Claims (1)

1.一种新型缺陷微带结构谐振频率的精确调整方法，其特征在于，包括如下步骤： 

(1)给出微带线三(103)的线宽W₂的初步取值，所述的初步取值为微带线一(101)线宽的25％左右，根据公式

取n＝0，f₀为设计谐振频率，c＝3×10⁸m/s，ε_re2是微带线三103的有效介电常数，该常数可根据线宽W2、基板的厚度h和基板的相对介电常数ε_r计算得到，从而进一步计算得到微带线三(103)的线长L₂的值； 

(2)调节微带线二(102)和微带线四(104)的线长L_１，给出微带线二(102)和微带线四(104)线宽W₁和槽线一(105)和槽线二(106)的宽度G的初步取值，所述的初步取值为微带线一(101)线宽的20％，对L₁进行微调，以微带线三(103)的线长与槽线一(105)的宽度之和为中心值，调节范围为L的20％左右，最接近设计谐振频率时的L１的值，即为L1最终的取值； 

(3)调节微带线二(102)和微带线四(104)的线宽W１，以微带线一(101)线宽的20％为中心值，调节范围为W１的60％左右，最接近设计谐振频率时的W1的值，即为W1最终的取值； 

(4)调节槽线一(105)和槽线二(106)的宽度G，以微带线一(101)线宽的20％为中心值，调节范围为G的60％左右，达到设计谐振频率时的G的值，即为G最终的取值。 

Images