一種基于T型缺陷微帶結(jié)構(gòu)低通濾波器

董會(huì)旭，白渭雄，李天鵬

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

0 引言

現(xiàn)代通信中濾波器的重要性毋庸置疑。在通信系統(tǒng)中，它可以實(shí)現(xiàn)信道選擇、鏡像消除和寄生濾波等多種功能［1－3］，因此濾波器在通信系統(tǒng)中起著十分重要的意義。那么，設(shè)計(jì)出一款高性能的濾波器意義重大。

缺陷地面結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure，DGS)用于濾波器設(shè)計(jì)，自1999年被首次提出，以其具有良好的禁帶效性和慢波效應(yīng)且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，迅速成為濾波器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。然而，由于DGS的接地板有缺陷，容易產(chǎn)生電磁泄漏，對(duì)微波電路中其他部件造成干擾，并且不易與其他電路集成，因此不利于微波單片集成電路的設(shè)計(jì)。本文基于缺陷地面結(jié)構(gòu)提出了一種T型缺陷微帶結(jié)構(gòu)(Defected Microstrip Structure，DMS)，通過(guò)在微帶線的金屬導(dǎo)帶上刻蝕一個(gè)槽型結(jié)構(gòu)，對(duì)一定的頻率產(chǎn)生阻帶性，從而實(shí)現(xiàn)禁帶和慢波性能［2］。深入研究了T型DMS的阻帶特性與槽尺寸的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作了一款基于T型缺陷微帶結(jié)構(gòu)的低通濾波器，仿真以及實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該款濾波器濾波性能良好、設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、電磁泄漏小、成本低，并且易于和其他電路集成。

1 基于T型DMS低通濾波器的理論與設(shè)計(jì)

1.1 T型DMS傳輸線特性分析

圖1為T型DMS傳輸線，其由導(dǎo)帶上刻蝕的兩個(gè)相互垂直的矩形槽構(gòu)成，小槽長(zhǎng)為c，寬為g，垂直且緊貼于傳輸線一長(zhǎng)邊，大槽長(zhǎng)為l，寬為b，垂直于小槽中心線且緊貼于一短邊。在此結(jié)構(gòu)下，由于增加了微帶線的電長(zhǎng)度，因而擾亂了傳導(dǎo)電流的分布，而正是該擾亂的電流分布能夠改變傳輸線的特性，從而使微帶線具有帶阻特性和慢波特性。

圖1 T型DMS傳輸線

為研究DMS傳輸特性與缺陷槽尺寸之間的關(guān)系，選擇厚度為0.79 mm的Rogers RT/duroid5880介質(zhì)板(相對(duì)介電常數(shù)2.2)、導(dǎo)帶寬度為2.4 mm的微帶貼片(特性阻抗為50)，進(jìn)行電磁仿真，仿真軟件使用Ansoft Designer。通過(guò)固定其中3個(gè)參數(shù)值而改變另1個(gè)參數(shù)值來(lái)觀察頻率特性的變化，如圖2～圖5所示。其中，圖2為b=0.7 mm，c=0.85 mm，g=0.2 mm時(shí)不同l值對(duì)DMS傳輸特性的影響，圖3為l=13 mm，c=0.35 mm，g=0.2 mm，不同b值對(duì)DMS傳輸特性的影響，圖4為l=13 mm，b=0.7 mm，g=0.2 mm時(shí)不同c值對(duì)DMS傳輸特性的影響，圖5為l=13 mm，b=0.7 mm，c=0.35 mm時(shí)不同g值對(duì)DMS傳輸特性的影響。

圖2 不同l值對(duì)DMS傳輸特性的影響

圖3 不同b值對(duì)DMS傳輸特性的影響

圖4 不同c值對(duì)DMS傳輸特性的影響

圖5 不同g值對(duì)DMS傳輸特性的影響

由圖2可知，隨著大槽長(zhǎng)度l的增加，諧振頻率f0向較低的頻率位置移動(dòng)，且諧振點(diǎn)逐漸加深。當(dāng)l=7 mm時(shí)，諧振頻率(即阻帶衰減極點(diǎn)的位置)f0=11.55 GHz;當(dāng)l=13 mm時(shí)，f0=7.25 GHz;當(dāng)l=19 mm時(shí)，f0=5.20 GHz。而圖3表明大槽的寬度b對(duì)諧振頻率幾乎沒(méi)有影響。圖4和圖5表明，隨著小槽長(zhǎng)度c的增加和寬度g的減小，諧振頻率均有減小的趨勢(shì)。

其主要原因?yàn)?在該T型缺陷微帶結(jié)構(gòu)中，大的矩形槽等效為電感，因而其長(zhǎng)度與等效電感大小直接相關(guān)，而寬度則與等效電感大小關(guān)系不大;故當(dāng)l增加時(shí)，等效電感也增加。然而，由于等效電感與諧振頻率成反比，因此當(dāng)電容固定不變時(shí)，較高的等效電感就對(duì)應(yīng)了較低的諧振頻率。而該結(jié)構(gòu)中的小槽則等效為電容，其寬度g(可看作電容兩極板的間距)和長(zhǎng)度c(可看作電容極板的長(zhǎng)度)直接決定了等效電容的大小，當(dāng)小槽的寬度g增大和長(zhǎng)度c減小，等效電容均減小;由于電容與諧振頻率成反比，因此當(dāng)電感固定不變時(shí)，較小的等效電容對(duì)應(yīng)了較高的諧振頻率。

通過(guò)對(duì)上述4個(gè)參數(shù)的分析，并參照?qǐng)D2～圖5，可以得到以下結(jié)論:調(diào)節(jié)大槽長(zhǎng)度l和小槽的長(zhǎng)度c、寬度g在不同值，就可得到不同諧振頻率位置的阻帶，而且阻帶特性與并聯(lián)LC諧振電路相似。因此，可以用LC并聯(lián)諧振電路來(lái)等效T型缺陷微帶結(jié)構(gòu)［4］，從而來(lái)研究該結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能。

1.2 基于T型DMS低通濾波器的設(shè)計(jì)

根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)開(kāi)路短截線長(zhǎng)度小于1/4引導(dǎo)波長(zhǎng)λg/4時(shí)，會(huì)表現(xiàn)為容性，可等效為并聯(lián)電容;而開(kāi)路長(zhǎng)截線長(zhǎng)度大于1/4引導(dǎo)波長(zhǎng)時(shí)，則表現(xiàn)為感性，可等效為并聯(lián)電感。圖6為本文根據(jù)T型DMS的傳輸特性結(jié)果設(shè)計(jì)的低通濾波器，圖中左側(cè)的DMS尺寸為l=14 mm，b=0.6 mm，c=0.8 mm，g=0.1 mm，右側(cè)的 DMS尺寸為 l=12 mm，b=0.5 mm，c=0.95 mm，g=0.1 mm，其他尺寸參照?qǐng)D中標(biāo)記。圖中十字型微帶線的尺寸由商業(yè)軟件Ansoft HFSS優(yōu)化而得。

圖6 基于T型DMS低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

2 仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量

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)所設(shè)計(jì)的該新型濾波器使用Ansoft Designer進(jìn)行仿真并進(jìn)一步優(yōu)化，然后進(jìn)行實(shí)物加工，并對(duì)加工的實(shí)物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)物圖見(jiàn)圖7，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較如圖8所示。

圖7 基于T型DMS低通濾波器實(shí)物圖

圖8 基于T型DMS低通濾波器S參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果

由圖8可以看出，所設(shè)計(jì)的新型低通濾波器3 dB截止頻率為2.9 GHz，通帶插入損耗小于0.15 dB，回波損耗最大旁瓣優(yōu)于15 dB。仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好，證明了設(shè)計(jì)方法的正確性。

3 結(jié)論

本文提出了一種T型缺陷微帶結(jié)構(gòu)，并對(duì)其傳輸特性進(jìn)行了分析，通過(guò)計(jì)算、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型的基于T型DMS低通濾波器，并進(jìn)行了電磁仿真和實(shí)物加工。所設(shè)計(jì)的低通濾波器不僅濾波性能良好，而且其設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，具有電磁泄漏小、易于和其他電路集成以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

［1］BELL H C.Canonical asymmetric coupled－resonator filters［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，1982，30(9):1335 －1340.

［2］CAMERON R J，YU Ming，WANG Ying.Direct－ coupled microwave filters with single and dual stopbands［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，2005，53(11):3288 －3297.

［3］HONG J S，LANCASTER M J.Microstrip filters for RF/microwave applications［M］.New York:Wiley ＆ Sons，2001.

［4］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.