新型缺陷地结构定向耦合器的耦合度研究

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摘 要：分析了缺陷地结构（DGS)的基本理论及其等效模型，提出了一种新型的缺陷地结构微带线定向耦合器的设计方法，同时分析了该缺陷地结构对耦合器耦合度的影响。仿真和实验结果表明，该缺陷地结构能很好的增强耦合器的耦合度。

关键词：定向耦合器；耦合度；缺陷地结构（DGS）；微带线

中图分类号：TN622 文献标识码：A 文章编号：2095-1302(2012)03-0066-03

Coupling study of directional coupler with new defect ground structure

ZHOU Dong-liang

(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China)

Abstract: The basic theory and equivalent model of defect ground structure (DGS) are analyzed. A microstrip line directional coupler with new type of defect ground structure is proposed, and the influence on the coupling from the coupler with defect ground structure is analyzed. Simulation and experimental results show that the defect ground structure can enhance the coupling of the coupler.

Keywords: directional coupler; coupling; defect ground structure (DGS); microstrip

0 引 言

随着通信、电子技术的发展，被广泛使用的微波电路朝着集成化、小型化方向不断发展。元件尺寸和性能成为卫星通信、雷达系统等电子系统设计的主要因素。相继问世的PBG(电磁带隙)、DGS(缺陷地结构)、SIW(基片集成波导)等新结构为微波电路的设计带来了新的活力。

光子带隙结构（Photonic Bandgap，PBG）是一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成的周期性阵列结构，由于其在某些频段内具有带阻特性，所以在微波频段得到了广泛应用[1]。然而PBG结构由于其模型复杂、周期性特点导致其物理尺寸较大，所以在实际应用中存在一定困难。在此基础上，韩国学者Jutr Seek Park和Chul-Soo Kim等人提出缺陷地结构(Defected Ground Structure-DGS)，DGS是在微带、共面波导等传输线的接地金属板上刻蚀周期或非周期的各种栅格结构，以改变电路衬底有效介电常数的分布，从而改变基于该介质上传输线的分布电感和分布电容，使此类传输线具有带隙特性和慢波特性[2,3]。由于DGS的单极点低通特性、慢波效应和高特性阻抗等独特性能，使得其广泛应用于微波无源、有源电路、天线等设计当中[4,5]。

本文首先研究了DGS的基本特性，并在此基础上设计了一种新型定向耦合器，最后分析研究了缺陷地结构对该耦合器耦合度的影响。

1 DGS的基本结构和特性

传统的DGS单元为哑铃型，由两个正方形和它们之间的一个狭槽构成。图1所示为一段缺陷地结构（DGS）,图中的虚线部分为刻蚀于介质衬底的背面接地金属板上的“哑铃型”DGS结构。它由两个边长为 的正方形和一个狭缝组成。狭缝的宽度为给g，其高度与微带线的宽度一致，均为w，图2给出了该结构的典型频率响应曲线。由图2可以看出，DGS结构的微带线具有高阻特性，能产生明显的阻带,该单元可近似等效为一个并联的RLC谐振电路[6]，其等效电路如图3所示。

DGS单元尺寸的变化会引起微带线的等效电感、电容的变化，从而实现所需的带阻特性。

2 DGS微带定向耦合器的分析设计

传统微带线定向耦合器为四端口网络 ,基本工作原理如图4所示。当电磁波从端口1输入时,除了有一部分能量直接从端口2输出外，通过两线之间的电磁耦合，还有部分能量从端口3或4输出。由于电场耦合在副线中向端口3和端口4产生的电压是等幅同相的，而磁场耦合在副线中向端口3和端口4产生的电压是等幅反相的。因此，副线中端口4处的电压是同相叠加，而副线中端口3处的电压是反向而抵消的，这种定向耦合器称为反向定向耦合器。

它的耦合系数为：

(1)

而: (2)

式中 ， ,是偶模下的有效介电常数， 是奇模下的有效介电常数。由此可以看出，可以通过DGS结构改变有效介电常数，从而控制耦合器的耦合系数。

在偶模下，电场是对称的，通常在耦合器的中间线部分是不连续的，DGS结构相当于开路，这样就可以把它看做一个串联的短截线，信号会通过这个串联的短截线进行传播，因而其传播的路径会变长，这相当于信号的传播速度被DGS结构减慢了，图5所示是偶模电场下的信号传播示意图。

图5 偶模电场下的信号传播

在奇模下，电场是不对称的，在耦合器的中间线部分是连续的，DGS结构相当于短路，信号依然将通过原来的路径进行传播，因而其信号的传播速度并不受DGS结构的影响。图6所示是奇模电场下的信号传播示意图。

图6 奇模电场下的信号传播

由以上分析可知，在偶模下信号的传播速度会被DGS结构减慢，在奇模下信号的传播速度不会受DGS结构的影响。对于有效介电常数，则有：

(3)

可见，有效介电常数与信号的相速是成反比例关系的，有效介电常数会随着相速的减慢而迅速增加。使用的DGS结构越多，相速会越慢，有效介电常数就会越大，甚至可以得到比基本介电常数更大的有效介电常数。因此，耦合系数会随DGS结构的数量增多而增大。

3 实物测试

本文设计了一个中心频率在2.45 GHz的DGS结构微带定向耦合器，为研究分析DGS结构对耦合器耦合度的影响，分别设计测试了四种不同结构进行比较。图7所示是四种不同结构的测试结果。其S41测试结果如表1所列。

由以上测试结果可知，随着使用的DGS结构数量的增多，定向耦合器耦合系数会不断增大，但是，增大的幅度会越来越小。最终设计的实物图如图8所示。

图8 DGS结构实物图

4 结 语

本文使用缺陷地结构控制定向耦合器的耦合系数，并分析和验证了该缺陷地结构对耦合器耦合度的影响。由分析和测试可知，随着DGS结构数量的增多，耦合器耦合系数会不断增大。

参 考 文 献

[1] RADISIC V, QIAN Y, COCCIOLI R. Novel 2-D photonic bandgap structure for microstrip lines [J]. IEEE Microwave Guide Wave Lett., 1998, 8(2): 6971.

[2] KIM C S, PARK J S, AHN D, et al.. A novel 1-D periodic defected ground structure for planar circuits [J]. IEEE Microwave Guide Wave Lett., 2000, 10 (4): 131133.

[3] AHN D, PARK J S, KIM C S, et al. A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure [J].IEEE MTT., 2001, 49 (1): 86-93.

[4] LIM J S, KIM C S, AHN D, et al. Design of the low-pass filters using defected ground structure [J]. IEEE MTT., 2005, 53 (8): 2539-2545.

[5]宋海,华光,洪伟.一种基于DGS的宽带双极化三角元微带天线[J].微波学报,2005,21(4):27-30.

[6] WOO D J, LEE T K,LEE J W, et al.Novel U-slot and V-slot DGSs for bandstop filter Wish improved Q factor[J].IEEE Trans Microwave Theoryand Techniques,2006,54(6):2840-2847.