新穎嵌套式雙U形缺陷接地結(jié)構(gòu)的低通濾波特性

金濤斌 ，金 杰，李 媛，楊 杉

(1. 天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300134)

缺陷接地結(jié)構(gòu)(defected ground structure，DGS)作為一種新穎的微波電路，它最初是從光子帶隙結(jié)構(gòu)演變而來的．該結(jié)構(gòu)是在金屬接地平面上蝕刻出一些形狀的“缺陷”，從而讓接地電流的分布發(fā)生變化，使得某些頻段的電磁波無法從中通過．所以通過在金屬接地底板上蝕刻各種形狀的“缺陷”能使得金屬面上接地電流的分布發(fā)生變化，進(jìn)而使得傳輸線的頻率特性發(fā)生變化，這樣就使得 DGS結(jié)構(gòu)具有非常顯著的阻帶．自從1999年韓國(guó)學(xué)者Kim等[1]提出DGS結(jié)構(gòu)以來，各種不同缺陷形式的 DGS相繼被提出，并得到深入研究，進(jìn)而利用 DGS單元來構(gòu)造和設(shè)計(jì)低通濾波器的方法取得了較大的進(jìn)展[2-14]．DGS結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于抑制天線旁瓣、提高天線增益、改善效率、制作寬帶濾波器和提高Q值等方面，在微波集成電路和天線領(lǐng)域方面有著巨大的應(yīng)用前景．DGS具有良好的頻率選擇特性，因此可以方便地應(yīng)用于濾波器的設(shè)計(jì)．關(guān)于 DGS應(yīng)用于微波濾波器的研究工作，自從 DGS被提出以后就一直在進(jìn)行之中．關(guān)于DGS應(yīng)用于微波濾波器的研究雖然己經(jīng)取得了一定的成果，但是這些成果還不夠成熟，還有待于進(jìn)一步地研究和改進(jìn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還在繼續(xù)發(fā)掘 DGS的新用途．隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，以及毫米波甚至亞毫米波各頻段的開發(fā)利用，將會(huì)促進(jìn)更多基于DGS的微波器件的涌現(xiàn)和廣泛應(yīng)用．DGS在各種微波電路中的應(yīng)用不但有效提高了電路性能，而且很大程度上簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)．DGS具有插入損耗小、電路簡(jiǎn)單、易于加工和性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，能為微波器件電路設(shè)計(jì)開辟一條嶄新的途徑．

文獻(xiàn)[3]提出了一種 U 形 DGS，相比于傳統(tǒng)的DGS低通濾波器相，U形DGS濾波器的矩形特性更加優(yōu)異．文獻(xiàn)[4]提出了一種可調(diào)截止頻率的 U形DGS，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸來改變截止頻率．筆者提出了一種嵌套式雙U形DGS來實(shí)現(xiàn)低通濾波器，通過將U形結(jié)構(gòu)進(jìn)行嵌套，從而不用大量增加蝕刻面積，就能有效減少其等效電容，獲得較高的截止頻率，并改善其電路性能參數(shù)；提出通過改變嵌套式雙 U形單元的幾何尺寸和短截線的長(zhǎng)度來控制該低通濾波器的截止頻率．與傳統(tǒng)的 DGS低通濾波器相比，該濾波器具有如下優(yōu)點(diǎn)：①僅僅用一個(gè) DGS單元就能夠獲得較高的截止頻率和較深的阻帶，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②更好的矩形特性；③通過多個(gè)嵌套式雙U形單元的級(jí)聯(lián)可以獲得更深的阻帶，而單元尺寸較小，有利于DGS的級(jí)聯(lián)；④可以通過改變嵌套式雙U形單元的幾何尺寸和短截線的長(zhǎng)度來控制該低通濾波器的截止頻率．

時(shí)域有限差分法(finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)能夠準(zhǔn)確地模擬各種復(fù)雜電磁結(jié)構(gòu)的電磁分布，可以獲取被研究對(duì)象廣泛的時(shí)域信息，進(jìn)而依靠傅里葉變換就能夠得到其準(zhǔn)確的頻率特性，并且可以避免對(duì)可能病態(tài)的方程組進(jìn)行求解，這樣可以大規(guī)模減少計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間和計(jì)算量，大大減少 FDTD的計(jì)算時(shí)間．FDTD是一種特別適宜直觀描繪電磁現(xiàn)象，且非常簡(jiǎn)單實(shí)用的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算法，正由于其許多突出的優(yōu)點(diǎn)，使得其在電磁領(lǐng)域中的使用越來越廣泛，已經(jīng)成為電磁領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)．在 FDTD數(shù)值計(jì)算中，完全匹配層(PML)吸收邊界條件獲得了廣泛的應(yīng)用，效果也最為顯著．PML的特點(diǎn)在于：將電場(chǎng)分量、磁場(chǎng)分量在吸收邊界進(jìn)行分裂，并且能夠分別對(duì)分裂的電磁場(chǎng)分量賦予不同的損耗．這樣，就可以在 FDTD計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格空間外邊界獲得一種非物理的吸收介質(zhì)，并且該 PML的吸收效果不依賴于外向行波的入射角度和頻率．很多數(shù)值實(shí)驗(yàn)指出PML的反射系數(shù)能夠降低至其他吸收邊界條件在二階、甚至三階時(shí)的1/3 000，而總網(wǎng)格噪聲更是可以降低至使用普通吸收邊界條件時(shí)的 1/107．文中的計(jì)算結(jié)果都是基于FDTD算法，采用C++與Matlab編寫了 FDTD計(jì)算程序，該計(jì)算程序結(jié)合了兩種語言的優(yōu)點(diǎn)，既簡(jiǎn)化了計(jì)算程序又發(fā)揮了 C語言處理循環(huán)速度快的特點(diǎn)．本文中所有的仿真結(jié)果都是利用筆者在文獻(xiàn)[15]中開發(fā)的 FDTD程序進(jìn)行仿真得到的，程序計(jì)算結(jié)果的正確性已在文獻(xiàn)[15]中得到了驗(yàn)證[15-16]．

1 嵌套式雙U形DGS低通濾波器

1.1 U形DGS

U形 DGS[3]和利用 U形 DGS設(shè)計(jì)的低通濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在微帶線的接地面上通過蝕刻形成U形DGS單元，微帶線的寬度為50,?線寬．該濾波器的截止頻率在a不變的情況下主要由b決定．

圖1 U形DGSFig.1 U-shaped DGS

1.2 嵌套式雙U形DGS

嵌套式雙U形DGS如圖2所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸l1＝60,mm，l2＝30,mm，微帶線的寬度為 50,? 線寬w＝2.5,mm，介質(zhì)板厚度為 0.8,mm，間距 d＝20,mm，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為 2.20，w1＝1,mm，w2＝2,mm．a(chǎn)和b為嵌套大U形的長(zhǎng)和寬，l和g為被嵌套小U形的長(zhǎng)和寬，周期單元數(shù)為n．

圖2 嵌套式雙U形DGSFig.2 Nested double U-shaped DGS

1.3 嵌套式雙U形DGS的a、b對(duì)傳輸特性的影響

采用 FDTD法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，a分別為10,mm、12,mm、14,mm；b分別為 8,mm、10,mm、12,mm，n＝1，l＝6,mm，g＝4,mm，其他參數(shù)不變．圖3(a)和(b)分別給出了a、b變化時(shí)，阻帶特性的變化．

圖3 長(zhǎng)度a和寬度b對(duì)傳輸特性的影響Fig.3 Influence of length a and width b on filtering characteristic

從圖 3(a)和(b)可以看出，這種嵌套式雙 U 形DGS具有良好的低通特性，截止頻率在5,GHz附近，這比一般的單U形DGS單元的截止頻率要高，即具有更寬的阻帶．隨著 a的增大，截止頻率降低；隨著b的增大，截止頻率降低．因此，可以通過調(diào)整 a、b的尺寸大小，調(diào)整截止頻率．相比于a的變化，b的變化調(diào)整效果更為顯著，這和單U形DGS單元的結(jié)論是吻合的[4]，并且在圖3(a)中出現(xiàn)了較明顯的雙阻帶現(xiàn)象．

1.4 嵌套式雙U形DGS的l和g對(duì)傳輸特性的影響

采用FDTD法分析參數(shù)l和g對(duì)阻帶特性的影響．l分別為 4,mm、6,mm、8,mm，g分別為 3,mm、4,mm、5,mm，n＝1，a＝12,mm，b＝8,mm，其他參數(shù)不變．圖 4(a)和(b)分別給出了 l、g變化時(shí)，阻帶特性的變化．從圖4(a)和(b)可以看出，l的變化對(duì)阻帶影響很小，而g的變化也可以起到調(diào)整截止頻率的作用．因此，為了減小蝕刻面積、降低插入損耗，可以適當(dāng)減小l的尺寸．

圖4 長(zhǎng)度l和寬度g對(duì)傳輸特性的影響Fig.4 Influence of length l and width g on filtering characteristic

1.5 嵌套式雙 U形 DGS單元個(gè)數(shù) n對(duì)傳輸特性的影響

采用FDTD法分析單元個(gè)數(shù)n對(duì)阻帶特性的影響．嵌套式雙 U形 DGS單元個(gè)數(shù) n分別為 1、2、3，l＝6,mm，g＝4,mm，a＝12,mm，b＝8,mm，其他參數(shù)不變．圖 5給出了 n變化時(shí)，阻帶特性的變化．從圖5可以看出，隨著周期單元數(shù)n的增大，阻帶加深，具有了更好的濾波效果．因此，可以通過多個(gè)嵌套式雙U形DGS單元的級(jí)聯(lián)來獲得更深的阻帶．但同時(shí)隨著 n的增大，單元之間的耦合也會(huì)隨著增大，因而出現(xiàn)了一定的毛刺和抖動(dòng)．在實(shí)際的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)過程中，阻帶深度和耦合干擾二者需要綜合考慮，以求兼顧．

圖5 單元數(shù)n對(duì)傳輸特性的影響Fig.5 Influence of cells number n on filtering characteristic

2 利用短截線調(diào)節(jié)截止頻率的嵌套式雙 U形DGS低通濾波器

接地面仍然蝕刻嵌套式雙 U形，在微帶平面添加短截線，如圖6所示，短截線長(zhǎng)為P，寬為w3，由于短截線的加入，增加了等效LC電路的等效電感和等效電容，短截線越長(zhǎng)，對(duì)等效電感和等效電容的影響越大．對(duì)圖 6的結(jié)構(gòu)，P分別取 0,mm、2,mm、4,mm、6,mm，w3＝2,mm，l＝6,mm，g＝4,mm，n＝1，其他參數(shù)不變．進(jìn)行FDTD數(shù)值分析，其傳輸特性如圖7所示．從圖 7可知，短截線的加入改變了結(jié)構(gòu)的截止頻率，P越長(zhǎng)，截止頻率越低，即可通過調(diào)節(jié)短截線的長(zhǎng)度來改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)的截止頻率．同時(shí)，短截線的加入還會(huì)影響到矩形特性．

圖6 添加短截線的嵌套式雙U形DGSFig.6 Nested double U-shaped DGS with straight microstrip line

圖7 短截線長(zhǎng)度P對(duì)傳輸特性的影響Fig.7 Influence of length P on filtering characteristic

3 結(jié) 語

提出了一種嵌套式雙 U形 DGS，并對(duì)嵌套式雙U形DGS進(jìn)行了精確的FDTD數(shù)值分析，研究了其幾何尺寸變化對(duì)阻帶特性的影響．將多個(gè)嵌套式雙U形 DGS單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)，進(jìn)一步研究了級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻帶特性．在微帶平面添加短截線，研究了短截線的長(zhǎng)度變化對(duì)阻帶特性的影響．

通過研究可知，可以通過改變嵌套式雙 U形單元的幾何尺寸來調(diào)整該結(jié)構(gòu)的截止頻率，也可以通過調(diào)節(jié)短截線的長(zhǎng)度來改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)的截止頻率，而通過多個(gè)嵌套式雙 U形單元的級(jí)聯(lián)可以獲得更深的阻帶，這種關(guān)系能為嵌套式雙U形DGS的分析和設(shè)計(jì)提供有力的指導(dǎo)．

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