新型Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)低通濾波器設(shè)計(jì)

李東偉,李天鵬,萬(wàn)鵬飛

(空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院,陜西 三原 713800)

1 引 言

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)的飛速發(fā)展,無(wú)線通信已經(jīng)成為21世紀(jì)最為熱門(mén)的技術(shù)之一。作為無(wú)線通信的咽喉,濾波器在無(wú)線收發(fā)器中能夠?qū)崿F(xiàn)鏡像消除、寄生濾波和信道選擇等功能,在接收總體系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用,因此,設(shè)計(jì)出一個(gè)高性能、低成本的低通濾波器具有十分重要的意義。

缺陷地面結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure,DGS)自1999年提出以來(lái),由于其禁帶效性、慢波效應(yīng)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在濾波器的設(shè)計(jì)與研究上成為了一大熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]提出一種螺旋形DGS并設(shè)計(jì)了一款螺旋形低通濾波器,文獻(xiàn)[2]和[3]分別利用一種分形DGS實(shí)現(xiàn)了低通濾波,文獻(xiàn)[4]則報(bào)道了一種狹縫型DGS。然而,目前大部分研究都集中在對(duì)禁帶效應(yīng)和慢波效應(yīng)的探索上,很少涉及DGS的諧振特性[4,5]的研究。

本文基于分形理論和缺陷地面結(jié)構(gòu)提出了一種Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)(Koch-shaped Defected Ground Structure,KDGS),該結(jié)構(gòu)是通過(guò)在微帶線的金屬接地板上刻蝕Koch型槽的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),從而在特定頻率產(chǎn)生諧振的效果?；诖酥C振特性,設(shè)計(jì)了兩款基于Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)的低通濾波器,仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的低通濾波器不僅濾波性能良好,而且具有設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、體積小以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2 Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)

圖1為Koch曲線生成圖,取一條長(zhǎng)為1的直線段(Koch曲線的初始元,如圖1(a)所示),將其三等分,保留兩端線段,將中間的一段改換成夾角為60°的兩條長(zhǎng)度為1/3的等長(zhǎng)直線段,如圖1(b)所示;再將4條直線段分別三等分并將各直線段中間的一段改換成夾角為60°的兩條長(zhǎng)度為1/9的等長(zhǎng)直線段,如圖1(c)所示。重復(fù)上述操作以至無(wú)窮,便可得到理想的Koch曲線。

圖1 Koch曲線生成示意圖Fig.1 Koch curve elements

圖2為本文所提出的新型Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)示意圖,圖中灰色部分為接地板,白色部分為接地板上的缺蝕結(jié)構(gòu),由4條閉合的Koch曲線組成。該結(jié)構(gòu)通過(guò)擾亂接地板上的電流分布達(dá)到諧振的效果,諧振頻率可以通過(guò)Ansoft HFSS的本征模求解得到。采用厚度為0.254mm、介電常數(shù)為2.2的RT/Duroid5880介質(zhì)基片仿真,可得缺蝕線段長(zhǎng)度為12.5mm時(shí)諧振頻率為20.5GHz。

圖2 分形Koch缺陷地面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Fractal Koch-shaped defected ground structure

3 基于KDGS低通濾波器的設(shè)計(jì)

由傳輸線理論可知,小于四分之一引導(dǎo)波長(zhǎng)λg/4的開(kāi)路短截線表現(xiàn)為容性,可等效為并聯(lián)電容;大于四分之一引導(dǎo)波長(zhǎng)λg/4的開(kāi)路長(zhǎng)截線表現(xiàn)為感性,可等效為并聯(lián)電感[6]。結(jié)合KDGS,本文設(shè)計(jì)了一款三極點(diǎn)低通濾波器和一款五極點(diǎn)低通濾波器,分別如圖3和圖4所示,圖中KDGS線段總長(zhǎng)37.12mm,線寬0.3mm,其它結(jié)構(gòu)尺寸參照?qǐng)D中具體標(biāo)示。圖中微帶線的尺寸由商業(yè)軟件Ansoft Designer優(yōu)化而得。

圖3 三極點(diǎn)KDGS低通濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Three-pole low pass filter based on Koch-shaped defected ground structure

圖4 五極點(diǎn)KDGS低通濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Five-pole low pass filter based on Koch-shaped defected ground structure

濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)是,截止頻率 fc=3GHz;10dB阻帶寬度:絕對(duì)帶寬大于2倍通帶寬度;通帶衰減等于或小于0.5 dB;阻帶衰減在4 GHz處至少有20dB衰減;端接條件:兩輸出端接50Ψ微帶線;微帶材料參數(shù):介電常數(shù) εr=2.2,介質(zhì)厚度 h=0.79mm,損耗角正切 tan δε<0.001。

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,對(duì)上述設(shè)計(jì)的兩種新型濾波器使用Ansoft Designer進(jìn)行電磁仿真和優(yōu)化,仿真采用厚度為0.79mm、介電常數(shù)為2.2的RT/Duroid5880介質(zhì)基片,仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 三極點(diǎn)低通濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of S parameter of three-pole low pass filter based on KDGS

圖6 五極點(diǎn)低通濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of S parameter of five-pole low pass filter based on KDGS

一般低通濾波器的參數(shù)指標(biāo)主要包括通帶內(nèi)插入損耗、阻帶寬度(10dB或20dB,本文采用20dB的阻帶帶寬)、選擇特性 ξ等,其中選擇特性ξ由公式(1)計(jì)算[7]:

式中,a1表示3 dB插損,a2表示20dB插損,f1表示3 dB插入損耗對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn),f2表示20dB插入損耗對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn),ξ的單位為dB/GHz。

由圖5和圖6可以看出,所設(shè)計(jì)的兩種濾波器性能均很好,證明了所提設(shè)計(jì)方法的有效性。五極點(diǎn)低通濾波器性能略優(yōu)于三極點(diǎn)低通濾波器,五極點(diǎn)濾波器截止頻率為3.08 GHz,在通帶內(nèi)插入損耗為0.10dB,回波損耗最大旁瓣優(yōu)于15 dB,說(shuō)明具有良好的通帶性能;阻帶衰減大于10dB的阻帶帶寬為12.25GHz(3.08～15.5 GHz),相當(dāng)于3.8倍的通帶帶寬,說(shuō)明具有超寬的阻帶帶寬;通帶與阻帶之間的過(guò)渡帶僅為0.45 GHz(3.25～3.7 GHz),其選擇特性達(dá)到了37.80dB/GHz,說(shuō)明具有非常好的矩形度。表1為本文所設(shè)計(jì)的五極點(diǎn)低通濾波器與其它文獻(xiàn)提出的濾波器的性能比較結(jié)果。

表1 低通濾波器性能的比較Table 1 Capability comparison between low pass filters

4 結(jié) 論

本文基于分形曲線和缺陷地面結(jié)構(gòu)提出了一種Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu),并將其應(yīng)用到濾波器設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)了兩款基于Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)的低通濾波器。結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的濾波器性能良好,設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單,體積小且成本低。該新型Koch缺陷地面結(jié)構(gòu)和濾波器設(shè)計(jì)方法在無(wú)線通信領(lǐng)域具有一定應(yīng)用價(jià)值。

[1]Kim C S,Lim J S,Nam S,et al.Equivalent circuit modeling of spiral defected ground structure for microstrip line[J].Electronics Letters,2002,38(19):1109-1120.

[2]LiuH,LiZ F,SunX W.A novelfractal defected ground structure and its application to the low-pass filter[J].Microwave andOptical Technology Letters,2003,39(1):453-456.

[3]LiuH,LiZ F,Sun XW,et al.An improved 1-D periodic defected ground structure for microstrip line[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2004,14(1):180-182.

[4]Weng L H,Guo Y C,Shi X W,et al.An overview on defected ground structure[J].Progress In Electro magnetics Research B,2008,7(1):173-189.

[5]陳文靈.分形幾何在微波工程中的應(yīng)用研究[D].西安:空軍工程大學(xué),2008.CHEN Wen-ling.Investigations into the applica-tions of fractal geometry in microwave engineering[D].Xi′an:Air Force Engineering University,2008.(in Chinese)

[6]張勝.微型平面微波濾波器的機(jī)構(gòu)和性能研究[D].上海:上海大學(xué),2006.ZHANG Sheng.Study on Structure and Performance of Miniature Planar Microwave Filters[D].Shanghai:Shanghai Uni-versity,2006.(in Chinese)

[7]Lingyu Li,Haiwen Liu,Baohua Teng,et al.Novel microstrip lowpass filter using stepped impedance resonator and spurline resonator[J].Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(1):196-197.