0 引言
在微波集成電路中，為了抑制低頻雜散，通常要使用小型化的高通濾波器，對(duì)于微波集成電路來說，微波高通濾波器一般有兩大類設(shè)計(jì)方法，第一類是用集中或半集中的元件實(shí)現(xiàn)，高通濾波器的衰減特性由相應(yīng)的低通原型的衰減特性經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q得出。經(jīng)過變換之后，低通原型電路就成為由串聯(lián)電容和并聯(lián)電感構(gòu)成的集中元件高通濾波器。在微波集成電路中，可以用交指電容器或薄膜電容器去實(shí)現(xiàn)集中串聯(lián)的電容，用并聯(lián)的短路短截線或平面螺旋電感去實(shí)現(xiàn)集中的并聯(lián)電感，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，尺寸較小。但是，在集中參數(shù)電路中，這些電感必須靠得很近，這就不可避免地要產(chǎn)生雜散耦合，因此集中元件的高通濾波器很難在微波集成電路中實(shí)現(xiàn)。構(gòu)成高通濾波器的第二類方法是用分布參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，由于傳輸線所固有的多重諧振特性，它必然存在寄生通頻帶，并只能構(gòu)成帶通特性。這種方法實(shí)質(zhì)上是用寬帶帶通濾波器去充任高通濾波器，即贗高通濾波器。但是對(duì)于超寬帶的高通濾波器，這種方法一般結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)工藝要求很高。
本文主要針對(duì)第二類方法，利用DGS結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，尺寸較小的超寬帶微波高通濾波器。
1 DGS結(jié)構(gòu)簡介
1987年Yablonovitch E和John S提出周期光子帶隙結(jié)構(gòu)(即PBG)。它在接地板上腐蝕出由一定幾何圖形的單元組成的周期性陣列結(jié)構(gòu)，用以改變襯底的有效介電常數(shù)分布，從而改變了傳輸線的分布參數(shù)模型，在一定頻段內(nèi)傳播模式也隨之改變，從而具有帶隙特性。PBG開創(chuàng)了在介質(zhì)板表面和接地板上同時(shí)兼顧的設(shè)計(jì)概念，合理地開發(fā)接地板，極大提高了設(shè)計(jì)靈活性。但是，由于PBG結(jié)構(gòu)模型較復(fù)雜，參數(shù)也較繁雜，所以在實(shí)踐應(yīng)用上受到了一定限制。
1999年，韓國學(xué)者Jong-Im Park，Chul-Soo Kim等人提出一種啞鈴型缺陷地面結(jié)構(gòu)(即DGS)，如圖1所示，LC電路如圖2所示。

當(dāng)間隔距離D=1mm時(shí)，3端口的耦合輸出在DC～15 GHz范圍內(nèi)不大于-20dB。要增加兩條微帶線的耦合度，一般要求減小間隔距離D。但是要達(dá)到緊耦合，對(duì)加工工藝的要求將會(huì)非常高。
在耦合微帶線下方加載DGS結(jié)構(gòu)，通過改變耦合微帶線介質(zhì)的有效介電常數(shù)的分布，從而在微帶下方缺陷地面的“槽”將能量耦合過去。加DGS結(jié)構(gòu)的耦合雙線如圖7所示，HFSS模型如圖8所示。

其S13與S14參數(shù)仿真結(jié)果如圖9，圖10所示。

由仿真結(jié)果可以看出，加載DGS結(jié)構(gòu)后，3，4端口的輸出在2～15 GHz范圍內(nèi)都大于-20 dB，在不改變間隔距離D的情況下，S13平均提高約20 dB。同時(shí)注意到S14與S13參數(shù)曲線在整個(gè)DC～15 GHz頻段內(nèi)幾乎一樣，即由1，2端口間耦合過來的能量在3，4端口平均分配，即4端口不再是隔離端口，沒有方向性了。
此時(shí)，微帶傳播不是TEM波，在加載DGS結(jié)構(gòu)處甚至不是準(zhǔn)TEM波。按照左手理論，在DGS結(jié)構(gòu)處的等效介電常數(shù)為負(fù)值。因此，由于加載DGS結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整個(gè)介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)的分布極不均勻，很難再套用由均勻介質(zhì)情況推出的奇偶模分析法的結(jié)論和公式?？梢越频匕袲GS結(jié)構(gòu)看作是在接地板上腐蝕出的“槽線”，“槽”與一條微帶線正交耦合，能量通過“槽線”后再耦合到另一條微帶線上，在耦合處向微帶兩側(cè)平均傳播能量，即此時(shí)還存在兩條微帶線間通過空間的電磁耦合，但是很微弱，“槽”耦合占主導(dǎo)地位。
3 基于DGS的高通濾波器設(shè)計(jì)
從微帶線的不均勻性角度出發(fā)，兩條耦合微帶的1，3端口本身就具有高通特性，如圖6所示的S13，但是由于耦合過于微弱，從而無法形成高通濾波器的通帶。
基于前面對(duì)于加載DGS結(jié)構(gòu)對(duì)耦合線的影響，聯(lián)想到可以通過加強(qiáng)兩微帶間的耦合從而使S13形成高通響應(yīng)，如圖11所示。