一種雙U形缺陷地結(jié)構(gòu)低通濾波器的設(shè)計(jì)

(杭州電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

光子帶隙結(jié)構(gòu)(Photonic Band Gap，PBG)是一種周期性結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)在一些頻段內(nèi)表現(xiàn)出帶阻特性，使得其可應(yīng)用于各種微波電路中[1]。PBG 結(jié)構(gòu)周期性的特點(diǎn)造成它的等效電路模型復(fù)雜，影響其帶隙特性的因素多?；赑BG 結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[2]提出了缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure，DGS)。DGS 結(jié)構(gòu)也是在地板上刻蝕出一定形狀的缺陷圖案，改變微帶線的有效電感和有效電容，造成由DGS 構(gòu)成的微帶線出現(xiàn)慢波效應(yīng)和阻帶效應(yīng)，采用DGS 濾波器與傳統(tǒng)濾波器比較具有頻率抑制特性好、易于實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)緊湊、模型簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種φ形DGS 結(jié)構(gòu)低通濾波器，文獻(xiàn)[4]用八木DGS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了寬阻帶低通濾波器。文獻(xiàn)[5]提出一種U形DGS 低通濾波器相比傳統(tǒng)的DGS 低通濾波器，其阻抗特性更加突出。文獻(xiàn)[6]提出了一種通過改變結(jié)構(gòu)來調(diào)整截止頻率的U形DGS。傳統(tǒng)的U形DGS 低通濾波器通過增加DGS的階數(shù)來獲得更好的特性，但這樣會(huì)增加濾波器的尺寸。為了實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化，本文提出了一種雙U形DGS 結(jié)構(gòu)。借助高頻仿真軟件HFSS 對(duì)該缺陷結(jié)構(gòu)S 參數(shù)頻響特性進(jìn)行仿真分析，利用該DGS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一種低通濾波器并加工出實(shí)物。

1 雙U形DGS 結(jié)構(gòu)低通濾波器

1.1 雙U形DGS的頻響特性

DGS是通過在接地板上刻蝕出圖案來改變微帶線的有效電感和有效電容從而導(dǎo)致頻率特性發(fā)生變化，因此可以用LC 并聯(lián)電路作為DGS 微帶線的等效電路，并且將等效LC 電路對(duì)應(yīng)于一階巴特沃斯響應(yīng)。文獻(xiàn)[2]給出了詳細(xì)的公式推導(dǎo)過程，其等效電路參數(shù)如下:

式中，ω0、ωc分別為諧振角頻率和截止角頻率，f0為諧振頻率，Z0為微帶線特征阻抗，g1為一階巴特沃斯低通原型值。本文提出的雙U形DGS 結(jié)構(gòu)如圖1所示。初始尺寸設(shè)為L(zhǎng)1 =2 mm，L2 =9 mm，L3 =8.5 mm，g1 =0.5 mm，g2 =0.6 mm，W1=2.4 mm。利用HFSS 軟件構(gòu)建模型并對(duì)L3 參數(shù)進(jìn)行掃描分析，結(jié)果如圖2所示，從結(jié)果可以看出雙U形DGS 結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了濾波特性，隨著L3的增大截止頻率將向低頻點(diǎn)偏移。尺寸的改變引起微帶線的有效電感和有效電容改變，由式(1)、式(2)得出雙U形DGS 結(jié)構(gòu)的頻率特性將會(huì)改變，理論和實(shí)際相符合說明雙U形結(jié)構(gòu)可以用于低通濾波器的設(shè)計(jì)。

圖1 DGS 結(jié)構(gòu)

圖2 不同的L3 對(duì)應(yīng)的頻率特性

1.2 DGS 結(jié)構(gòu)低通濾波器設(shè)計(jì)

為改善濾波特性，通過引入矩形開路枝節(jié)在濾波器的阻帶內(nèi)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)使其表現(xiàn)出良好的阻帶特性[7]。具體波器結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3(a)為濾波器的正面，由特征阻抗為50 Ω的微帶線和矩形開路枝節(jié)構(gòu)成，圖3(b)為接地板。介質(zhì)基板厚度0.8 mm，εr =2.2，損耗角正切0.000 9。通過調(diào)節(jié)矩形開路枝節(jié)的尺寸參數(shù)可以使濾波器表現(xiàn)出良好的阻帶特性。利用三維電磁仿真軟件HFSS 對(duì)濾波器各項(xiàng)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)濾波器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行掃描分析得出最優(yōu)尺寸:L1 =2 mm，L2 =8.5 mm，L3 =8 mm，L4 =7 mm，L5 =5 mm，W1 =2.4 mm，g1 =0.5 mm，g2 =0.8 mm。

圖3 DGS 結(jié)構(gòu)濾波器結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)測(cè)結(jié)果

基于上述給出最優(yōu)化尺寸，加工制作了DGS 結(jié)構(gòu)濾波器實(shí)物，為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀器對(duì)濾波器的S 參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

利用三維電磁仿真軟件HFSS 對(duì)濾波器的S 參數(shù)進(jìn)行仿真，該濾波器S21、S11的軟件仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)得結(jié)果對(duì)比圖如圖4所示。從圖4中清楚看到，濾波器仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，但是有偏差。其主要原因?yàn)榧庸ぶ谱鲿r(shí)的尺寸誤差、焊接精度等。結(jié)果表明該濾波器在3 dB 處的截止頻率為3.26 GHz，通帶范圍波紋最大達(dá)到0.4 dB，插入損耗大于20 dB的阻帶寬度為5.2 GHz，充分驗(yàn)證了低通濾波器模型的有效性。

圖4 濾波器S 參數(shù)仿真與測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先提出一種雙U形DGS 結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證該DGS模型的有效性，利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件分析了DGS 結(jié)構(gòu)S 參數(shù)的頻響特性，表明本結(jié)構(gòu)具有阻帶特性，可以用于低通濾波器的設(shè)計(jì)。利用本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制作了一款低通濾波器，相比于傳統(tǒng)的低通濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的實(shí)際參考應(yīng)用價(jià)值。

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