基于DGS和SIR 單元的超寬阻帶低通濾波器設(shè)計(jì)*

胡成康，楊維明*，楊武韜 ，謝 綽，曹雄斐

(1.湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，武漢 430062;2.武漢濱湖電子有限責(zé)任公司，武漢 430077)

高性能的低通濾波器在無線通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，它能有效抑制系統(tǒng)的諧波輸出。傳統(tǒng)的階梯阻抗微帶低通濾波器的尺寸大，阻帶窄，不滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的需要。一些學(xué)者在低通濾波器的小型化、寬阻帶設(shè)計(jì)方面，做了大量研究工作。文獻(xiàn)［1－2］采用開路T 型微帶結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)微帶濾波器中的階梯阻抗傳輸線得到基于開路T 型結(jié)構(gòu)的小型化超寬阻帶濾波器的方案，該方法設(shè)計(jì)的濾波器尺寸較大;文獻(xiàn)［3］通過把兩個(gè)發(fā)卡型諧振器用等效于電感的細(xì)微帶線連接起來構(gòu)成二級(jí)低通濾波器，其阻帶性能明顯改善，但濾波器結(jié)構(gòu)尺寸仍然較大。

DGS 單元具有良好的帶隙特性和慢波效應(yīng)，可大大改善電路的阻帶特性以及使傳輸線結(jié)構(gòu)更加緊湊。傳統(tǒng)的DGS 單元周期級(jí)聯(lián)構(gòu)成的低通濾波器阻帶較窄，不能抑制高次諧波，從而限制了DGS 在低通濾波器中的應(yīng)用。文獻(xiàn)［4］采用啞鈴型和螺旋型缺陷接地結(jié)構(gòu)獲得了結(jié)構(gòu)緊湊的DGS 準(zhǔn)橢圓低通濾波器，其阻帶寬度達(dá)到通帶帶寬的5倍，但其設(shè)計(jì)方法較為復(fù)雜。半圓型階梯阻抗線是傳統(tǒng)高低階躍阻抗的一種變形，通過改變其半圓半徑和狹縫寬度對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以獲得良好的通帶和阻帶特性［5］。

本文采用階梯阻抗諧振(SIR)單元加載啞鈴型缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)單元的緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)五階切比雪夫低通濾波器，并在濾波器輸入輸出端口加載微帶線并聯(lián)開路枝節(jié)，以補(bǔ)償DGS 微帶線的特性阻抗，從而改善濾波器輸入輸出端口的阻抗匹配性能，實(shí)現(xiàn)超寬阻帶。該方法比橢圓低通濾波器設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)［6］。

1 結(jié)構(gòu)單元性能分析

1.1 DGS 單元特性分析

本文采用的是傳統(tǒng)的矩形啞鈴結(jié)構(gòu)的缺陷地結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中黑色部分為要蝕刻的圖形，它由兩個(gè)邊長為a 的正方形以及一個(gè)長寬分別為d、s 的矩形狹縫按圖示方式組合而成，其中虛線部分表示的是寬度為W 的50Ω 的微帶線。

圖1 微帶線DGS 結(jié)構(gòu)

DGS 具有低通和單極點(diǎn)帶阻特性，所以整個(gè)DGS 可以等效為一個(gè)簡單的LC 并聯(lián)諧振電路，其等效電路如圖2所示。

圖2 DGS 等效電路

根據(jù)電路理論可得到其等效諧振單元的電感和電容分別如下:

其中ωc是3 dB 截止頻率，f0是阻帶的諧振頻率，Z0是微帶線的特性阻抗。其等效串聯(lián)電感

DGS 的缺陷區(qū)域其幾何有很多種，它可以是三角形、圓形、六邊形等等，但其原理都類似。本文采用的正方形的啞鈴結(jié)構(gòu)，因此在此僅對(duì)啞鈴結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。由于其參數(shù)a，d，s 可以是任意值，它們的變化可以直接導(dǎo)致微帶電路的等效電感、電容的變化，從而引起傳輸線截止頻率的變化。結(jié)合式(1)、式(2)可以分析得出，隨蝕刻出的面積增加，其等效電感L 增加，等效電容變化不大，ωc，f0減小;槽寬s 增加，等效電容減小明顯，f0增加，L和ωc幾乎不變;槽長d 增加，ωc，f0都減小，等效電容和電感增大。

1.2 半圓階梯阻抗單元特性分析

半圓型階梯阻抗并聯(lián)枝節(jié)結(jié)構(gòu)它包括兩個(gè)相同的半徑為R 的半圓，對(duì)稱地位于50Ω 微帶線的兩側(cè)，與微帶線相距w2，分別通過一段寬度為w1的窄線與微帶線相聯(lián)，如圖3所示。微波電路中常用兩端接有低阻抗的高阻抗線等效成串聯(lián)的電感，開路的傳輸線可以等效為電容，因此該半圓階梯阻抗單元的等效電路如圖4所示。

圖3 半圓型階梯阻抗結(jié)構(gòu)單元

圖4 半圓型階梯阻抗單元等效電路

本文采用該結(jié)構(gòu)等效實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容，根據(jù)等效原理以及不同參數(shù)R 對(duì)應(yīng)不同的截止頻率和諧振頻率，本文采用w1=0.3 mm，w2=0.4 mm，圖5 是不同參數(shù)R 下的特性曲線，從圖中可知，隨著R 的減小LC 諧振電路的諧振頻率將增加，其截止頻率也增大。

圖5 R 變化時(shí)的傳輸特性

2 DGS 微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)與分析

2.1 DGS 微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)

該濾波器的參數(shù)如下:截止頻率f0=3 GHz，帶內(nèi)插入損耗小于1 dB，要求在2倍截止頻率處具有不小于35 dB 的帶外衰減，輸入輸出阻抗為50Ω。首先設(shè)計(jì)一個(gè)紋波系數(shù)為0.5 的標(biāo)準(zhǔn)切比雪夫集總參數(shù)低通濾波器，其梯形結(jié)構(gòu)原理圖如圖6所示［7］。然后用微帶線分布參數(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)該濾波器。本文采用DGS 微帶線實(shí)現(xiàn)等效電感，用半圓形階梯阻抗微帶線實(shí)現(xiàn)等效電容，由此構(gòu)成梯形結(jié)構(gòu)的低通濾波器［8］。介質(zhì)厚度為H=0.781 mm，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.2。由于在選定DGS 縫隙寬度后，LC 并聯(lián)諧振等效電路的等效電容C 近似固定，因此可以通過改變DGS 的面積來改變等效電感L，反之也可以通過所需要的等效電感來確定DGS 的尺寸。

圖6 集總參數(shù)濾波器結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的啞鈴型DGS 單元等效于并聯(lián)諧振電路的電容和電感。當(dāng)這個(gè)啞鈴的縫隙寬度確定后，等效電感由DGS 的面積確定。半圓諧振單元等效于串聯(lián)諧振電路的電容和電感，當(dāng)中間諧振單元的寬度確定后，等效電容由半圓的面積決定。因此，DGS單元和半圓諧振單元能夠等效于集總參數(shù)LC T 型濾波器。根據(jù)以上結(jié)論，設(shè)計(jì)了五階LPF，圖7 是DGS 微帶低通濾波器結(jié)構(gòu)模型［5］。

圖7 DGS 微帶低通濾波器

在圖7 中，50Ω 微帶線的兩邊有4個(gè)半圓型階梯阻抗并聯(lián)諧振單元。中間微帶線寬2.4 mm，長30 mm，4個(gè)半圓半徑相同，半徑為2 mm，連接4個(gè)半圓的4個(gè)矩形狹縫的長度為0.515 mm，寬度為0.3 mm。在介質(zhì)層底板蝕刻3個(gè)矩形啞鈴單元。第1和第3個(gè)DGS 矩形啞鈴結(jié)構(gòu)單元的長和寬都是3.4 mm，其狹縫長3.6 mm，寬為0.46 mm;中間一個(gè)DGS 矩形啞鈴結(jié)構(gòu)的長和寬都是3.8 mm，其狹縫長3.8 mm，寬0.46 mm。HFSS 仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖8 可以看到，插入損耗比較大，通帶內(nèi)回波損耗也比較大，達(dá)到了－11.6 dB，阻帶帶寬比較窄，這是由于輸入輸出阻抗沒有和50Ω 完好匹配。

圖8 DGS 微帶低通濾波器仿真結(jié)果

2.2 DGS 微帶濾波器設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于地面蝕刻DGS 單元，增加了特性阻抗，因此它不能和50Ω 微帶線良好匹配，增大了反射損耗。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):雖然DGS 單元電路特性可以用并聯(lián)LC 諧振電路來表示，但是受加工精度限制，啞鈴型DGS所能實(shí)現(xiàn)的等效電容較小，其等效的LC 諧振電路呈感性。因此，本文在輸入輸出端口加載并聯(lián)開路枝節(jié)補(bǔ)償微帶線，并聯(lián)枝節(jié)的長度為8 mm，寬度為1.5 mm，這兩個(gè)開路枝節(jié)等效于兩個(gè)并聯(lián)電容C6和C7，從而改善端口的阻抗匹配性能，如圖9所示。

圖9 帶并聯(lián)枝節(jié)的DGS 濾波器及等效電路

由于開路枝節(jié)等效于電容，等效電容太大或太小都會(huì)影響阻帶的抑制度，并且在通帶內(nèi)產(chǎn)生紋波。并聯(lián)的兩個(gè)開路枝節(jié)減小了帶外兩個(gè)零點(diǎn)之間的距離，改善了阻帶特性，其實(shí)質(zhì)是改善了阻抗匹配性能，拓展阻帶帶寬［9］。仿真結(jié)果如圖10所示。通帶內(nèi)插入損耗小于0.5 dB，回波損耗小于－20 dB，阻帶達(dá)到了35 GHz，尺寸為21.6 mm×8 mm。

圖10 加載了開路枝節(jié)的仿真結(jié)果

2.3 測試結(jié)果

圖11 DGS 濾波器實(shí)物照片和測試結(jié)果

圖11為實(shí)物照片和測量所得的傳輸特性曲線以及駐波比測試結(jié)果。由圖11 可知，通帶帶寬達(dá)到3.75 GHz，通帶內(nèi)插入損耗小于0.5 dB，在5 GHz～20 GHz 范圍內(nèi)阻帶抑制超過20 dB，在20 GHz～35 GHz 范圍內(nèi)阻帶抑制深度在－10 dB 以下，通帶內(nèi)平均駐波比為1.4，帶內(nèi)最大駐波比位于3.5 GHz 處為1.8。由于焊接工藝和材料等原因，最后實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，但不如仿真結(jié)果好。這是由于微帶線的部分加工誤差、測量接頭的不完全匹配造成的反射、以及仿真的不精確性造成的，同時(shí)SMA 接頭處的焊錫不均勻反射，導(dǎo)致了測試曲線在某些頻帶內(nèi)的抖動(dòng)和測試所得S21曲線中阻帶的零點(diǎn)偏移。

不同文獻(xiàn)對(duì)應(yīng)的低通濾波器性能比較結(jié)果如表1所示，由表可知，本文的設(shè)計(jì)方法較好地解決了濾波器尺寸、通頻帶和超寬阻帶等性能之間的矛盾，綜合性能是最優(yōu)的。

表1 不同文獻(xiàn)對(duì)應(yīng)的低通濾波器性能比較

3 結(jié)論

本文對(duì)DGS 單元和半圓型階梯阻抗單元進(jìn)行了詳細(xì)的模型分析，研究了其幾何尺寸變化對(duì)傳輸特性的影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出DGS 微帶低通濾波器;為了改善阻抗匹配特性，在微帶線的輸入輸出端口加載兩個(gè)并聯(lián)枝節(jié)，通過優(yōu)化并聯(lián)枝節(jié)的尺寸改善了濾波器的端口匹配性能。使濾波器的通帶回波損耗明顯減小，阻帶寬度超過通帶寬度的7倍。比傳統(tǒng)的階躍阻抗微帶低通濾波器體積大大縮小。本文的設(shè)計(jì)方法也適用于微波和毫米波電路和系統(tǒng)。

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