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      新穎嵌套式雙U形缺陷接地結(jié)構(gòu)的低通濾波特性

      2011-08-01 09:07:36金濤斌
      關(guān)鍵詞:阻帶截止頻率低通濾波器

      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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