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基于多层PCB技术的微带缺陷地结构减小电路的辐射损耗
材料来源:《微波杂志》2018年3/4月刊           录入时间:2018/4/24 12:04:19

基于多层PCB技术的微带缺陷地结构减小电路的辐射损耗

Microstrip Defected Ground Structures without Radiation Loss Using Multilayer PCB Technology

John Coonrod,罗杰斯公司,美国亚利桑那州钱德勒

 采用缺陷地结构的多层电路设计可增强滤波器性能且不必担心其泄漏和隔离。

微带缺陷地结构(DGS)多年来一直是高频电路设计的一种方法,同时也被广泛用于带状线和共面波导电路。1-3虽然DGS电路的设计方法对诸如天线和滤波器等基于射频/微波的谐振器的电路性能和小型化有所帮助,但该技术也会受到低隔离度和过多的电磁(EM)辐射等严重缺陷的限制。基于DGS的电路会向外辐射电磁能量,从而产生电磁干扰。其缺乏足够的隔离度也会导致与相邻的射频/微波组件和电路出现设计中本不希望出现的相互干扰作用。幸运的是,由于多层电路结构在现代射频/微波电路设计中的应用越来越多,所以设计和制造微带DGS电路可以几乎不考虑辐射或隔离。本文就将使用一些现成的商用电路材料和低通滤波器(LPF)来演示这种多层电路设计方法。

DGS概述

理解DGS的最简单的方法是对比。传统的信号地平面被视为一个没有任何间隔或中断的连续结构,诸如微带线之类的传输线的接地平面的电特性就是连续性。通过有目的地在地平面形成缺陷或不连续就是缺陷地结构。例如在接地面上蚀刻一个隔离开口,传输线的射频特性就会被改变。这是因为在这个DGS的范围内,电容和电感发生了显著的变化。

一个简单的例子是在微带传输线的地平面上刻蚀的H形结构(图1)。图1a所示的微带结构有两层。暗橙色表示顶层(信号层)上的线路,浅橙色表示底层(接地层)上的地平面。H形的微带缺陷地结构会产生如图1b所示的一个带阻或带限的特性曲线,该响应类似于一阶巴特沃斯低通滤波器(LPF)的响应。DGS这种可以产生的窄带带阻响应,有时可被用于滤波器设计以改善滤波器的阻带部分中的阻带特性。如后续的低通滤波器设计可以看到,微带DGS的有效使用不仅改善了滤波器的阻带响应,而且极大地改善了滤波器的杂散谐波响应。

1(a)为地平面上蚀刻HDGS的微带传输线的俯视图,(b)为此结构的S21参数。

实际上,DGS可以提高许多射频/微波电路的性能,包括低通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)、贴片天线和其它谐振电路。IEEE Xplore®数字图书馆中能够搜索到很多有关DGS应用的相关论文。DGS结构由于有实现慢波效应的能力,也可用来减小电路尺寸。

克服DGS的辐射和隔离

随着现代射频/微波电路的复杂性和集成度的不断提高,多层电路结构在设计中被广泛采用。多层印刷电路板可以制作成多种形状和不同的尺寸。包含微带缺陷地结构的多层印刷电路板(PCB)的合适设计,可以最大限度地减少甚至消除电磁辐射和隔离。

为了简单起见,以三层的多层印刷电路板为例,来展示减小DGS辐射和隔离的方法,如图2所示。该图中的多层板电路具有两种不同的电路材料,其介电常数分别为εr1和εr2。对于理想的DGS,底层材料的介电常数εr2越低越好,如等于空气中的介电常数的值1.0。在多层PCB结构中设计空气腔是可能的,但电路的加工比较难且成本较高。一个折中的办法是使用一种介电常数εr2值很低的电路材料,而这种材料的强度足以承受PCB的制造工艺。本文稍后将会解释使用不同εr值的材料的好处。4,5

图2:三层微带DGS的PCB横截面,用于实现无辐射和高隔离。

最上面的两层是微带和它的缺陷地平面。它们可能表现为接地的共面波导传输线,但如果是松耦合,即为微带线。使用贯穿所有三层的电镀孔(通孔)的接地平面能确保电路上下接地平面可靠接地,并且也给在第二层上的微带(缺陷)地平面提供了一个适当连接。这个掩埋式的接地对于微带线和DGS的性能优化是非常重要的。对于只具有两层的传统微带DGS结构,含有DGS开口结构的地面可以向附近的环境辐射能量。然而,在图2所示的三层结构中,由于三层的接地结构与其重复的接地过孔,辐射的能量被禁锢在电路中。

微带阶梯阻抗低通滤波器

下面通过微带阶梯阻抗结构来实际验证使用微带DGS结构的LPF滤波器克服辐射或隔离问题的有效性。阶梯阻抗电路由低阻抗和高阻抗部分级联并不断重复而组成。如果设计得当,这些低阻抗和高阻抗部分在滤波器的不同部分将会产生电容和电感,从而实现低通滤波器的功能。

采用微带阶梯阻抗的形式时,高阻抗部分和低阻抗部分之间的差异会影响滤波器的杂散谐波性能。高阻值和低阻值之间的较大差异会导致较少的杂散谐波含量和更优的阻带隔离,然而,可以实现的阻抗范围是有限的。例如,如果低阻抗电路元件的线路过宽,则会引起不必要的谐振,从而使滤波器性能恶化。一般规定这个结构的宽度应不大于所用频率的λ/8。相反,高阻抗使得导体宽度过窄而难以蚀刻加工。一个普遍规律是,最小微带导线的宽度应在4mils以上,以提供给PCB加工商一个可以实现且可重复制作的电路设计。

为了实现高阻抗,采用DGS结构的电路设计可以增加电路阻抗而不会导致导体宽度变窄而无法制造。这种设计就是在窄的导体下方的接地面上蚀刻出一个开口。蚀刻的开口增加了该区域的介质厚度,从而使得阻抗值增加。

DGS技术也可用于增强滤波器阻带性能、减少杂散谐波响应。当杂散谐波在阻带响应的频率范围内,或者在必须改善滤波器阻带的频率范围内,就可以使用DGS技术。一般来说,为了在不降低其它滤波器性能参数的情况下有效抑制滤波器的杂散谐波响应,可以在已知的谐波或杂散响应的频率范围内设计窄带带阻响应。然而对于DGS来说,在所用频率范围内最好使用宽带阻带响应。

为了更好地说明DGS电路技术在提高高频滤波器性能方面的优势,我们以研究DGS对微带阶梯阻抗低通滤波器的影响来说明。同样,在加工具体电路之前,我们先对电路进行电磁建模,然后进行电路加工制造,最后用实际加工的电路进行测试来看电路性能的改善。为了充分了解DGS效应,滤波器使用εr值高低不同的电路材料的特定组合,以展示电路材料的选择是如何影响微带DGS结构的性能的。

滤波器的设计与建模

此LPF设计是基于切比雪夫(Chebyshev)传递函数,带内纹波0.1dB、3dB的截止频率在2.2GHz。我们同时也设计和加工制造了两种形式的滤波器用以对比:第一种作为参考,没有DGS的设计;第二种设计具有完全相同的特性,但是采用两种不同的DGS设计方法,并且使用εr值高低不同的电路材料的特定组合,构成了三层微带DGS电路的多层结构。用于本研究的高εr材料是来自罗杰斯公司的8mil的RO4360G2™层压材料,其设计Dk值为6.4,如图2中的εr1

低εr电路材料也是来自罗杰斯的22mil的2929粘合材料,其设计Dk值为2.9,也就是图2中的εr2。这种材料组合的微带阶梯阻抗DGS设计的好处是使用高εr材料实现低阻抗部分,而用低的εr材料来实现高阻抗电路。当在第二层的接地面中形成蚀刻开口以构建高阻抗电路特征时,该电路的表现像是基于更厚的材料的特性;此时这个较厚的介质是由两种不同εr值的材料组合而成,其设计Dk值分别为6.4和2.9。考虑到两种材料的厚度,它们组合后得到的复合设计Dk值约为3.4。这种较厚的、低εr值复合介质形成的阻抗比单独使用8mil的介质可以有更高阻抗的电路特征。

图3a是第一种LPF电路设计的俯视图,无DGS结构,而图3b是在第二层中有DGS开口,完全相同性能的电路设计。将顶层(第一层,信号层)表示为暗橙色,将第二层(中间的微带接地层)表示为浅橙色。在电路的周围有许多重复的接地过孔(以白点表示),这样做是为了确保中间的接地平面,顶层和底层始终良好的接地。底层(第三层,以白色显示)位于微带中间接地层(第二层)的下方。如果图3b是一个只有两层的微带缺陷地结构,那么白色区域就代表能量可能辐射到外界的路径。由于底层(第三层)的存在,辐射能量将被大大降低。

3(a)传统的微带阶梯阻抗低通滤波器,(b)具有相同设计但在第二层中具有DGS开口的电路,用以实现高阻抗电路特征

为了展示这种DGS设计方法的一些好处,假定在8.4GHz时需要足够好的抑制性能。为了在LPF中实现这种性能,我们先仿真了一个简单的微带传输线,在其第二层上设计了一种特殊的微带开口作为DGS缺陷地,目的是在8.4GHz时实现宽带带阻功能。为了改善8.4GHz时的隔离度,图4中的微带线DGS电路结构也被包含在滤波器的最终设计中,用于滤波器的50Ω馈线。该模型经过优化后,可在低通滤波器的通带上,也就是0Hz到2.2GHz,实现最佳回波损耗。图5就是包含所有特性的最终的DGS LPF设计。

4DGS带阻特性优化的原型微带传输线在8.4GHz的频率下可提供良好的通带回波损耗和较高的抑制能力。

5:最终的微带缺陷地结构LPF电路设计,其包括8.4GHz频率下用以增强抑制能力的传输线DGS结构。

性能表现

滤波器的响应特性如图6所示。图6a显示了没有DGS特性的LPF电路特性,而图6b是有DGS设计的LPF电路的S21响应。可能已经注意到,带有DGS的滤波器电路的3dB截止频率与设计目标略有偏差。对于参考滤波器电路(即没有DGS的电路)的3dB截止频率在2.243GHz处(图6a中的标记3),而具有DGS的滤波器电路的3dB截止频率在2.604GHz处(图6b中标记3)。

6(a)3a中没有DGS设计的S21响应;(b)3a中的LPF电路的S21响应。

比较两个滤波器的S21响应,最显著的差异出现在3dB截止点以外的阻带中。对于没有DGS的参考滤波器电路,标记4和5表示了由不必要的谐振所导致阻带较差的性能。标记4的频率位于高阻抗导体的中段相关的谐振峰处。该处的谐振是由于电路中间的高阻抗、窄导体段,它的λ/2长度约在5.47GHz处,从而产生驻波导致谐振。而标记5是大约3f0处的杂散谐波,其中f0是3dB截止频率。对于包含微带缺陷地结构的LPF电路来说,高阻抗部分的物理长度会变短,由于介质厚度不同,且介电常数也不同(复合介电常数,εr1为6.4、εr2为2.9),该区域中的波长是不同的。此外,DGS开口产生的慢波效应,使电路长度更短。由于这些差异,使得在DGS结构中消除了在5.47GHz处的λ/2谐振。

在3f0处产生的寄生谐波是微带阶梯阻抗滤波器产生的固有谐波产物。众所周知,如果阶梯阻抗电路特征的高-低阻抗具有更宽的范围,这种寄生谐波便可得到显著的抑制。对于不包含DGS结构的电路,在3f0(标记5,6.671GHz)处的抑制度仅为8.6dB;而具有DGS结构的电路,在3f0处(图6b中的标记4)的抑制度达到了55.1dB。还要注意的是,带有DGS结构的滤波器在8.4GHz时的阻带性能也得到了改善。在图6b中标记4和5之间的8.4GHz附近达到了几乎约90dB的高抑制度。

参考文献

1. S. K. Parui and S. Das,“A New Defected Ground Structure for Different Microstrip Circuit Applications,” Radioengineering, Vol. 16, No. 1, April 2007, pp. 16–22.

2. L. H. Weng, Y. C. Guo, X. W. Shi and X. Q. Chen, “An Overview on Defected Ground Structure,”Progress in Electro-magnetics Research B, Vol. 7, 2008, pp. 173–189.

3. M. K. Mandal and S. Sanyal, “A Novel Defected Ground Structure for Planar Circuits,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 16, No. 2, February 2006, pp. 93–95.

4. J. Coonrod, “Harmonic Suppression of Edge Coupled Filters Using Composite Substrates,” Microwave Journal, Vol. 55, No. 9, September 2012.

5. J. Coonrod, “Applied Methodology for Harmonic Suppression of Microstrip Edge Coupled Bandpass Filters Using Composite Circuit Materials,” European Microwave Week, September 2015.


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