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Rog博客由罗杰斯公司(Rogers Corporation)的John Coonrod及其他专家提供,包括有关RF/微波材料的技术咨询和信息。
浅析复合多层的DGS结构如何减小电路的辐射
录入时间:2017/10/17 10:59:28

滤波器和天线设计工程师们很早就认识到,使用不同类型线路板材料加工制作而成的缺陷地结构(DGS)设计,可以改善分布式高频电路的性能。顾名思义,DGS是在微带线的接地平面上人为刻蚀出缺陷或中断结构,以实现分布式器件效应,如分布电感和分布电容。最常见的DGS形状就是在地平面上制作出简单的谐振U形槽,它可以增强传输线的耦合或减少谐波。这种设计常与微带电路一起使用,也可与带状线或接地共面波导(GCPW)电路等一起使用。

DGS电路元件的应用十分广泛,例如用它作为陷波谐振器来降低RF /微波滤波器中的杂散模式。因此,很多商业计算机辅助工程(CAE)软件,包括电磁(EM)模拟器,都可以对DGS电路进行仿真,甚至工程师可直接导入DGS元件来评估其对常规微带电路设计的影响。

虽然DGS元件可以为包括天线,耦合器和滤波器在内的众多电路提供简单、紧凑的结构组件,但是由于DGS结构造成了地平面的不完整性,因此这种设计方案会让如微带电路中产生较大的能量辐射。由于不同的DGS形状均会呈现出谐振电路元件特性,除非得到适当的控制,这些谐振电路元件就会在微带电路结构中产生不需要的电磁辐射。幸运的是,通过使用多层微带电路结构可以减小这种辐射。也就是说,可以通过在微带电路结构中添加一个低成本的,具有接地平面的介质层和地层来达到这个目的,而这个第二接地层可以抑制DGS电路元件中产生的不必要电磁辐射。

DGS电路技术已经广泛应用了几十年,已经不是新技术了,但是DGS的辐射可能会导致周围组件或电路产生问题而限制了它的使用。然而,通过精心设计DGS的形状和挑选适合的线路板材料,可以实现低辐射或没有辐射。可通过半固化层和使用第二接地层来提供足够的抑制而不影响顶层微带传输线的性质,也不会影响DGS元件产生谐振效应。对于微带线结构,上层接地面是主地面,注意必须与信号导体充分隔开,以避免产生类似共面电路结构那样的效果。

一些简单的DGS形状也可以提供有用的信号响应,而不需要复杂的微带传输线扰动设计。 例如,微带线地平面中的“H”图案可以产生目标频率的阻带响应,“H”图案的尺寸和间距等变量将会决定阻带凹口的频率和深度。

例如,在地平面上的简单的开口就足以增加微带传输线的阻抗。 DGS形状包括接地平面中的狭槽、哑铃形结构、曲折线等。不同的DGS形状产生的等效电感(L)与等效电容(C)的比值也不同,因此会对微带电路的性能带来不同的影响。

通过将DGS微带电路设计成具有三个导体层的多层电路结构的一部分,可以减小或消除辐射,其中DGS的地层埋在两个不同的介质层之间。多层结构中的第一层和第二层可以建立任意标准微带电路,除地平面是不连续的之外,在DGS层之下是第二个介电层以及第二个接地层。

这种类型的多层电路设计有效地减少了DGS引起的辐射,但是其必须根据DGS电路元件产生的影响来精确设计。通常在顶部导体层和两个接地平面之间要形成足够的导电通路,以便DGS电路能够谐振。

为了演示这种设计方法,设计并制造了一个阶梯阻抗低通滤波器。它是由两种不同的线路板材料组成的多层电路,且两种线路材料具有不同的介电常数(Dk)。顶部第一介电层形成了微带信号导体、介质和第一个接地平面。采用了罗杰斯公司8mil厚的RO4360G2™层压板,这是一种低损耗玻璃纤维增强的热固性材料,在10GHz频率下具有6.15的介电常数(z轴,厚度方向),其设计Dk为6.4。底部接地平面的第二介质层采用罗杰斯公司22mil厚的2929粘贴片,其具有低得多的Dk值(设计Dk为2.9)。

示例中的阶梯阻抗低通滤波器,在第一接地层形成DGS结构,利用导体宽度调整和两种材料不同的Dk值来实现滤波器频率响应所需的阻抗变换。利用DGS,在较高Dk电路材料上较窄的导体可实现非常高的阻抗,而较宽的导体实现较低的阻抗。通过分析可以发现,采用DGS结构的多层阶梯阻抗低通滤波器,使用了两种不同Dk材料的DGS结构,可以得到比传统微带滤波器更加陡峭的截止斜率,同时具有良好的抑制杂散谐波和更深更宽阻带的效果。

该滤波器是DGS如何应用于RF /微波电路设计的一个示例。使用微带DGS可以将传输零点置于滤波器的正向传输(S21)响应曲线中。 传输零点的位置可以使滤波器的阻带抑制更好。另外,DGS电路也可用于设计延迟线和移相器,因为DGS这样的形状具有独特的慢波特性,能量沿着槽的边缘传播,改变了波的有效速度和电路的有效Dk。

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