张俊庆，游 彬，门 阳

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室， 杭州310018)

缺陷地结构是由Chul-Soo Kim， Jun-Seok Park等人在研究PBG结构的基础上提出来的，它是通过在微带传输线的金属地面上蚀刻周期性或非周期性的各种图案电路的性能参数，减小电路尺寸，它已被广泛运用于滤波器，振荡器的设计中[1-6]。本文利用本文作者提出的一种新型缺陷地结构应用在射频功率放大器中来抑制输出信号的谐波，相应地改善了射频功率放大器的输出功率和效率。

1 哑铃形DGS结构

哑铃形DGS结构是最为基础也是最典型的一种DGS结构，它是最早的被成功应用于实际电路中的实例。如图1(a)所示的就是哑铃形DGS的结构图，图中DGS结构由两个形状相同的矩形和一个缝隙组成， DGS的性能和矩形的面积以及缝隙的长度和宽度有关。 DGS缺陷单元中矩形的作用等效于一个电感，而缝隙的作用等效于一个电容，等效电路如图1(b)所示。

如图2(a)所示，新型的DGS由两个哑铃头结构和加长的蚀刻带组成。哑铃头的边长是a， b，哑铃头的槽宽是d，蚀刻带的长和宽分别是l和c。所取介电常数是4.3，基板厚度为0.8 mm。可知50 Ω微带线宽度为1.6 mm。图2(b)为LDGS的等效电路， LDGS等效为并联振荡电路。

理论分析表明，缺陷地的方格可用电感等效，缝隙作用可用电容等效，方格面积增大，等效电感增加，衰减极点降低，如果缝隙加宽，则等效电容减小，衰减极点增加。我们能从Rahman和Ahn的文章中，得到电容Cp和电感Lp[7-8]。

fc是3 dB截止频率， fp是衰减频率。

为了和普通DGS做比较，我们选用了一样的占地面积。

图3显示新型哑铃DGS和普通哑铃DGS的仿真比较结果。新型的哑铃 DGS尺寸：a=b=7.0 mm， l=14.6 mm， c=0.4 mm， d=1 mm，普通哑铃DGS结构尺寸：a=b=7.0 mm， l=1.6 mm， c=0.4 mm.微带线特性阻抗是50 Ω。表1是根据公式(1)和公式(2)，而得到的这两个DGS的参数。从仿真结果可以看出，这个新型的哑铃DGS的振荡频率，将近是普通哑铃DGS的一半。

图3 新型哑铃DGS和普通哑铃DGS的S21比较

表1 新型哑铃DGS和普通哑铃DGS的参数

通过改变参数a， l和c，分别仿真可得结论：参数a， l和c对谐振特性影响较大，增加a可以使谐振频率降低；减少c可以使谐振频率降低；增加l可以使谐振频率降低。一种等效电路模型被用来描述这种DGS。通过仿真比较新型哑铃DGS和普通哑铃DGS，我们不增加蚀刻面积，仅用加长的蚀刻带结构就可以明显增加等效电容，实现较低的谐振频率。新型DGS有更紧凑的尺寸，有许多潜在的应用，如谐波抑制，滤波器设计和减小尺寸等。

2 新型DGS在射频功率放大器的应用

在射频功率放大器的设计中输出功率和效率是两个非常重要的指标，而这两个参数和射频功放管，以及偏置电压，匹配电路等等都密切相关。射频功率放大器的谐波会损耗一部分的输出功率。我们可以设想如果抑制射频功率放大器的输出谐波，则可以提高射频功率放大器的输出功率和效率，本文利用提出的新型缺陷地结构，来抑制射频功率放大器的输出信号的谐波，以此来提高功放电路的效率以及输出功率。

射频功率放大器的偏置线的设计非常重要， ，高频偏置线的长度是四分之一波长，为了起到通直流遏制交流的效果，偏置线的阻抗通常要求比较高，这样的话相应的偏置线就比较细，如图4(a)所示的直流偏置线非常细。如果漏极偏置线太细就会不利于直流电的传输，利用DGS的慢波特性不仅可以改善这一缺点还可以抑制三次谐波。如图4(b)所示的四分之一的波长线要比4(a)中的宽得多。当频率为2.14 GHz时，如果介质的介电常数为2.2，板子的厚度为31 mil时，图4(a)中120欧姆的偏置线的长和宽分别为：23.8 mm， 1.23 mm.图4(b)中的为：25.1 mm， 0.41 mm.DGS的此类应用不但能有利于偏置线的直流传输，还能改善功放输出信号的谐波抑制问题。

图4 两种高阻抗偏置线

由于DGS结构的LC谐振特性，级联的DGS结构更是能达到宽频带的滤波范围，我们可以利用提出的新型缺陷地结构级联起来组成低插损，宽频带的滤波器在不影响基频信号的情况下，对射频功率放大器的谐波起到较好的抑制作用。

图5 设计的滤波器结构

3 新型缺陷地结构功率放大器与普通功率放大器的测试结果比较

下面图6、图7所示的是加缺陷地结构的射频功放实物图。

图6 缺陷地射频功率放大器的实物图

图7 普通射频功率放大器的实物图

所用的测试仪器包括信号源Agilent E8267D、频谱分析仪Agilent E4440A等。分别对普通射频功率放大器和加入新型DGS结构的射频功率放大器进行测试比较。信号源的输入信号频率是2.14 GHz、功率是20 dBm的载波信号，频谱仪的接入端加了一个30 dBm的衰减器。

因为连接线有一定的功率损耗，所以先要对连接线的损耗大小进行测试。输入功率是20 dBm的信号，直接把接下来测试PA模块要用的测试线连接起来，经计算损耗是2.8 dBm。接下来，我们分别对普通射频功率放大器和加入新型缺陷地结构的射频功率放大器的输出基频、二次谐波、三次谐波信号进行测试比较。

如图8、9所示的是普通射频功率放大器和加入新型缺陷地结构的射频功率放大器的基频输出功率，可以看出在2.14 GHz的频点上的输出功率分别为-0.45 dBm、-0.5 dBm。由于频谱分析仪的输入端接了30 dBm的衰减器，计入2.8 dBm的测试线的损耗，则实际输出分别为32.35 dBm、32.30 dBm。加入新型缺陷地结构后，本来是起到抑制谐波的作用，信号就可以进行二次或者多次放大，从理论上来讲，应该相对地增加输出基频功率，可是测试结果是输出基频功率稍微降低了，经过分析和测试验证，是输出匹配电路后面的缺陷地结构引入的插入损耗造成的，经测试引入的插损大约0.17dB，这主要和PCB的制作精度有关，但是并不影响理论的正确性。

图8 普通射频功率放大器的基频输出功率

图9 加入DGS结构的射频功率放大器的基频输出功率

如图10、11所示的为普通射频功率放大器和加入新型DGS结构的射频功率放大器的二次谐波输出功率，由图可看出射频功率放大器中添加的DGS结构成功的抑制了11 dB左右的谐波功率，这是由输出匹配电路后面的DGS结构起到的抑制效果。

图10 普通射频功率放大器的二次谐波功率

图11 加入DGS结构的射频功率放大器的二次谐波功率

如图12、13所示，射频功率放大器的三次谐波被抑制了17 dB左右，偏置线下面和输出匹配电路后面的DGS结构都抑制了三次谐波，从测试结果来看DGS结构成功地完成了对谐波的抑制，但也发现抑制效果和仿真结果还有一定的距离，经过分析认为， DGS结构较小，对蚀刻槽的精度要求较高，电路板的实际制作中存在一定的误差，影响了测试结果。但并不影响证明理论的正确性。

图12 普通功放的三次谐波功率

图13 加入DGS结构的射频功率放大器的三次谐波功率

4 结语

本文通过对DGS进行理论分析和仿真，提出了一种新型的DGS结构，并把这种新型的DGS结构应用在实际的射频功率放大器设计中，通过在射频功率放大器漏极偏置线下面和输出匹配电路后面添加这种新型的DGS结构，成功地抑制了射频功率放大器的二次和三次谐波，而抑制的射频信号又可以进行重新放大，所以适量地增加了射频功率放大器的输出功率和效率。

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