基于缺陷接地結(jié)構(gòu)的超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)*

金雁冰

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

超寬帶(UWB）技術(shù)具有頻帶寬、功耗低、傳輸速度快、隱蔽性好以及多徑分辨能力強(qiáng)、系統(tǒng)容量大和高精度的距離分辨力等優(yōu)點(diǎn)，在無線電通信、雷達(dá)、跟蹤、精確定位、成像和武器控制等眾多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1］。而作為其中的組成部分，超寬帶濾波器扮演著重要的角色，起著選擇信號的重要作用，其工作性能好壞直接影響到超寬帶系統(tǒng)的整體工作性能。因此，它的研制在工程上具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

缺陷接地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure，簡稱DGS）是近期微波領(lǐng)域研究的熱門話題之一。它是由光子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG）發(fā)展而來，改變了傳統(tǒng)的局限于電路板表面的元件分布和設(shè)計(jì)的視野，充分開發(fā)和利用電路的背面，通過在微波電路的接地金屬板上蝕刻出周期性或非周期性的單元，改變接地電流的分布，從而改變傳輸線的頻率特性，使得某些頻率的電磁波無法在其中傳輸，從而在頻譜上形成帶隙。因此，DGS可廣泛地應(yīng)用于抑制諧波、改善效率、提高Q 值、制作濾波器等方面。

目前，超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)得到了迅猛的發(fā)展，而且性能也越來越好?，F(xiàn)有文獻(xiàn)所報(bào)道的UWB 濾波器主要有以下3 種形式(含其變形）:低通濾波器+高通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器+帶阻濾波器，而濾波器結(jié)構(gòu)主要包括懸置帶線(SSL）、共面波導(dǎo)(CPW）、微帶及其混合結(jié)構(gòu)等。本文所研制的濾波器是將階梯阻抗耦合諧振器和諧振環(huán)(DGS）相結(jié)合，設(shè)計(jì)出中心頻率7.5 GHz、相對帶寬106%，且選頻特性好、結(jié)構(gòu)緊湊的超寬帶帶通濾波器。

1 結(jié)構(gòu)與仿真設(shè)計(jì)

最近，有研究者將開口諧振環(huán)應(yīng)用到DGS中，提出了開口諧振環(huán)缺陷接地結(jié)構(gòu)(Split-ring resonator defected ground structure，簡稱SRR DGS）［2］，其結(jié)構(gòu)具有陡峭的帶隙特性和平坦的低通特性;由于可以采用在諧振環(huán)DGS的導(dǎo)帶兩端對稱地加載開路支節(jié)來增大并聯(lián)電容，從而改善其阻帶特性，在某些頻率處還可以產(chǎn)生衰減極點(diǎn)，表現(xiàn)出帶阻，因此適合用作低通濾波器的基本單元［3］。此結(jié)構(gòu)要想構(gòu)成帶通濾波器，就需要與其他結(jié)構(gòu)配合;而對于階梯阻抗耦合諧振器，當(dāng)頻率較低時(shí)，耦合節(jié)間的容抗較大，耦合作用很弱，大部分信號反射回到信號源端，只有少量信號耦合到輸出端，故低頻端的回波損耗非常大，表現(xiàn)出明顯的高通特性。本文將這兩種結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在階梯阻抗諧振器的折疊線下方接地面引入諧振環(huán)DGS。這具有兩個(gè)重要的作用:第一，它通過減小上表面電路與地板之間的耦合，來增強(qiáng)階梯阻抗耦合單元之間的耦合，從而增加工作帶寬;第二，通過缺陷單元擾亂微帶接地板上屏蔽電流的分布，改變介質(zhì)材料的有效介電常數(shù)，從而改變微帶線的分布參數(shù)，實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng)和帶阻特性，具有抑制寄生通帶的作用，為超寬帶濾波器寬帶設(shè)計(jì)提供依據(jù)。基于這種設(shè)計(jì)思想，在這里，所采用的正面電路階梯阻抗耦合諧振器和背面電路SRR DGS 構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

圖1 階梯阻抗耦合諧振器

圖2 開口諧振環(huán)缺陷接地結(jié)構(gòu)

由于濾波器的帶寬主要由傳輸曲線頻率高、低端的衰減極點(diǎn)所決定，在頻率高端，通過調(diào)整耦合節(jié)的長度，可以控制高頻端衰減極點(diǎn)的位置。圖3、圖4為隨耦合支節(jié)L1和L2的長度變化，利用仿真軟件為Microwave CST，所得出的相應(yīng)的頻率高端衰減極點(diǎn)位置改變的掃描曲線圖。該電路所采用介質(zhì)基板為Rogers 公司RT6002，其介電常數(shù)εr=2.94，厚度h=0.508 mm。從掃描曲線圖可以看出，在保證通帶插入損耗不變的情況下，減小耦合線L1和L2的長度，頻率低端的衰減極點(diǎn)基本不變，而高端衰減極點(diǎn)則向頻率高端移動，從而增大整個(gè)通頻帶范圍。

圖3 衰減極點(diǎn)隨耦合支節(jié)L1 長度變化曲線

圖4 衰減極點(diǎn)隨耦合支節(jié)L2 長度變化曲線

在頻率低端，背部電路的缺陷接地寬度L4和長度L5 對頻率低端的衰減極點(diǎn)位置影響較大，通過改變這些尺寸，可以實(shí)現(xiàn)頻率低端的傳輸極點(diǎn)的位置控制。圖5、圖6分別為改變L4和L5的尺寸所對應(yīng)的低端衰減極點(diǎn)位置的改變的掃描曲線圖。所采用的仿真軟件和介質(zhì)基板均與上同。

綜上所述，通過分別改變不同電路支節(jié)的長度，可以得到不同濾波特性的濾波器。

由于周期單元結(jié)構(gòu)可以改變阻帶的深度，級聯(lián)上述結(jié)構(gòu)單元，不但可以抑制寄生通帶，而且還可以大大改善矩形系數(shù)，提高濾波性能。現(xiàn)采用兩個(gè)級聯(lián)單元進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)及S 參數(shù)仿真結(jié)果分別如圖7、圖8所示(采用仿真軟件為Ansoft HFSS，采用介質(zhì)基板仍為上述的RT6002）。

圖5 衰減極點(diǎn)隨耦合支節(jié)L4 長度變化曲線

圖6 衰減極點(diǎn)隨耦合支節(jié)L5 長度變化曲線

圖7 電路仿真結(jié)構(gòu)

圖8 S 參數(shù)仿真結(jié)果

圖8 仿真結(jié)果顯示，該濾波器在3.5～11.5 GHz的通頻帶內(nèi)，插入損耗小于0.3 dB，駐波小于－12 dB，在頻率的高低兩端，均存在衰減極點(diǎn)，相對帶寬106%，具有較寬的傳輸帶寬和較好的矩形系數(shù)，可以滿足超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)要求。

2 測試與分析

根據(jù)圖7、圖8 仿真的結(jié)構(gòu)及仿真尺寸制作了濾波器。該濾波器的輸入輸出為SMA，裝配實(shí)物正面如圖9、背面如圖10所示。

圖9 實(shí)物正面

圖10 實(shí)物背面

利用Agilent的矢量網(wǎng)絡(luò)分析8720ET，對裝配好的濾波器進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯觯谕◣?.5～11.5 GHz的頻率范圍內(nèi)，大部分頻點(diǎn)插損在－2 dB左右，最小插損為0.7 dB，最大插損為3.7 dB，帶內(nèi)駐波在－9.6 dB 以下，具有較好的矩形度。從S 參數(shù)測試和仿真結(jié)果比較可以看出，二者之間的曲線走勢基本一致，但某些頻點(diǎn)的插入損耗較大。經(jīng)分析，主要原因可歸納為以下幾點(diǎn):(1）所用電路板材較薄，焊接和測試時(shí)均存在不同程度的微彎現(xiàn)象，可能導(dǎo)致一些額外的反射;(2）所敷銅層較薄，焊接及測試時(shí)SMA 接頭易導(dǎo)致表面微帶金屬層的剝離，反復(fù)焊接使得饋線的輸入輸出阻抗有所改變;(3）背面的缺陷接地增大了整個(gè)電路的輻射損耗。這些因素均可導(dǎo)致其損耗增加。如果采用損耗小、厚度大的基板，并減少反復(fù)焊接次數(shù)，其損耗將會得到一定的改善。

圖11 測試結(jié)果

4 結(jié)束語

該超寬帶帶通濾波器制作采用一般的微帶電路印制工藝，具有精度可靠、成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊及尺寸小的特點(diǎn)。雖然因某些原因?qū)е铝似鋼p耗增加，但總的來說還是較好地達(dá)到了超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)要求。

［1］高山山.超寬帶微帶帶通濾波器的研究與設(shè)計(jì)［D］.電子科技大學(xué)論文.

［2］WU Bian，LI Bin，LIANG Changhong.Design of low-pass filter using novel split ring resonator defected ground structure［J］.Microwave and optical technology letters，2007，49(2）:288-291.

［3］付樹洪，童創(chuàng)明，李西敏.一種新穎的開口環(huán)地面缺陷結(jié)構(gòu)低通濾波器［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(6）.