基于缺陷地抑制高階諧波的帶通濾波器設計*

馮夢璐，楊曙輝，陳迎潮

（1.北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京100101；2.中國傳媒大學通信工程研究所，北京100024；3.南卡羅萊納大學電氣工程系，美國哥倫比亞29208）

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基于缺陷地抑制高階諧波的帶通濾波器設計*

馮夢璐1，楊曙輝2，3*，陳迎潮3

（1.北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京100101；2.中國傳媒大學通信工程研究所，北京100024；3.南卡羅萊納大學電氣工程系，美國哥倫比亞29208）

摘要：采用微帶線設計的平行耦合濾波器（MCL-BPF）在通帶以外往往產生諧波，出現寄生頻段。利用缺陷地結構DGS （Defected Ground Structure）的單極點帶阻特性和慢波效應可以改善寄生通帶，抑制諧波輸出。對2.4 GHz的傳統微帶平行耦合濾波器和改進型帶通濾波器進行了仿真設計與加工測試。實測結果與仿真數據良好吻合，所提出基于斜啞鈴型DGS的帶通濾波器（S-DGS-BPF）可抑制至四階諧波，抑制度達到-22 dB以下，阻帶為3-10GHz，中心頻率處回波損耗為-26.93dB。并且改進型濾波器的尺寸縮小了約10%。

關鍵詞：微波帶通濾波器；缺陷地結構；寬阻帶；諧波抑制

項目來源：國家自然科學基金項目（61171039）

由于DGS（Defected Ground Structure）具有帶阻和慢波特性，應用于各類射頻無源器件設計中，成為了最新的研究熱點，特別是對濾波器實現小型化并抑制諧波很有效果［1-4］。文獻［2-3］采用DGS優化通帶和阻帶性能，回波損耗為-15 dB左右，帶外衰減為-20 dB，但阻帶寬度不夠。文獻［4］具有較寬的阻帶，但高頻段阻帶抑制度只達到-10 dB。已報道的文獻中，DGS主要用于抑制低階諧波而不是高階諧波，或者高階諧波的抑制度不夠好。文獻［5-6］中僅二次、三次諧波被抑制到-20 dB。文獻［7］中諧波抑制度比較好的達到-30 dB，但只抑制了二次諧波。文獻［8］中，高階四次諧波也只達到-19 dB。

本文提出了基于斜啞鈴型缺陷地抑制高階諧波的平行耦合帶通濾波器，在仿真基礎上進行了實物加工測試。仿真與實測結果表明所提出的濾波器可同時抑制二次、三次以及四次諧波，具有寬阻帶性且使濾波器的尺寸得到進一步縮小。

1　DGS單元的特性分析

除了傳統的啞鈴型DGS以外，目前應用于微波頻段的DGS具有多種形狀［9-10］。本文中采用的斜啞鈴型DGS（Slanted-DGS，S-DGS）［11］由兩個矩形缺陷結構和一條細窄的耦合縫隙組成，兩個矩形對角放置，由垂直的縫隙相連，如圖1（a）所示。圖中陰影部分代表導體，其寬度與耦合縫隙的長度一致。

采用ADS的Lincale工具設計微帶線寬度w= 1.9mm，特征阻抗為50 Ω?；宀捎肍R4板材，厚度為H=1 mm，相對介電常數為εr =4.4，介質損耗角正切為0.01。

斜啞鈴型DGS具有單極點帶阻特性，可以等效為LC并聯諧振電路，如圖1（b）所示。等效電感L和等效電容C通過式（1）和式（2）計算［12］，

其中f0表示S-DGS單元的諧振頻率，fc為3 dB截止頻率，Z0為微帶線的特征阻抗。

為了計算所需要的等效電感L和等效電容C，使用ADS進行仿真分析出諧振頻率與S-DGS尺寸的關系，如圖2所示。可見，當耦合縫隙保持不變時，矩形缺陷地結構的尺寸越大，引入的等效電感值越大，從而使得諧振頻率越大。

圖2　S-DGS不同尺寸的頻率特性（g=0.1 mm）

2　基于S-DGS的帶通濾波器設計

作為對比，分別對MCL-BPF和提出的S-DGSBPF進行了結構設計。

2.1傳統的MCL-BPF

濾波器的中心工作頻率2.4 GHz，帶寬60 MHz，帶內波紋≦0.5 dB，采用三階帶通結構。圖3（a）所示，由切比雪夫低通原型濾波器轉換為帶通濾波器，確定波紋為0.5 dB的3階切比雪夫濾波器的歸一化元件參數：g0=g4=1.000 0，g1=g3=1.596 3，g2=1.096 7。耦合傳輸線的奇、偶模的計算可通過下式［13-14］，

圖3　切比雪夫低通原型濾波器和MCL-BPF的俯視圖

其中，Z0e和Z0o分別表示耦合線的偶模阻抗和奇模阻抗。J為耦合線段間的耦合系數。

濾波器帶寬WB=（ωu-ωl）/ω0，ωu和ωl分別代表通帶的上下邊頻。利用式（3）~式（6）求得奇偶模阻抗后確定微帶線的長，寬以及線間距。

MCL-BPF結構如圖3（b）所示，由三段平行耦合微帶線組成。設計參數為：εr=4.4，l=17.2，l1= 18.4，l2=18，w=1.9，w1=0.1，w2=0.22，s1=0.96，s2=1.47，單位均為mm。圖4為MCL-BPF的S參數仿真結果，可以看出較高階諧波分別出現在4.8GHz，7.2GHz和9.6GHz處，諧波頻率與中心頻率成倍數關系。

圖4　MCL-BPF的S參數仿真結果

2.2具有諧波抑制的S-DGS-BPF

采用五個斜啞鈴型DGS的帶通濾波器可有效地解決上述MCL-BPF遇到的諧波和尺寸較大的問題，結構如圖5所示。各設計參數為：εr=4.4，l=17.2，l1=15.77，l2=15.42，w=1.9，w1=0.1，w2=0.22，s1=0.96，s2= 1.47，單位均為mm。

圖5　S-DGS-BPF的結構圖

兩端的S-DGS尺寸較小為3 mm′3 mm，中間3個S-DGS稍大，為3.3 mm′3.3 mm，5個S-DGS分別刻蝕在微帶線的地平面上。耦合縫隙寬度保持不變d=0.1 mm，其長度隨著不同微帶線的寬度而變化。由于加入DGS改變了等效電感，使得微帶線的有效電感值增加，從而微帶線電長度相比傳統的濾波器增加，為了能在相同頻率下諧振，需減小傳輸線諧振器的物理結構，此時耦合傳輸線的寬度與距離保持不變。改進型S-DGS-BPF總尺寸為96.78 mm′9.32 mm，與傳統MCL-BPF的尺寸107.2 mm′9.32 mm相比縮小了約10%。

圖6所示為MCL-BPF與S-DGS-BPF的S參數仿真對比。S-DGS-BPF除主頻段以外的其他頻段為阻帶，沒有諧波出現，相比于MCL-BPF，引入DGS后的BPF具有寬阻帶性能。

圖6　MCL-BPF與S-DGS-BPF的S參數仿真結果對比

3　實測結果

在仿真的基礎上采用PCB工藝，以FR4為基板的實物加工如圖7所示。

圖7　MCL-BPF與S-DGS-BPF的實物圖

利用Agilent E8363C矢量網絡分析儀對兩種濾波器進行測試，圖8為S參數測試結果。圖8（a）表示回波損耗，可以看出本文提出的S-DGS-BPF在頻率f=2.66 GHz時具有最低回波損耗-26.93 dB。圖8（b）表示插入損耗，可以觀察到，在中心頻率2.66 GHz的通帶內的插入損耗為-1.88 dB。表1為S-DGS-BPF及MCL-BPF的通帶與各次諧波的S21對比。對于二次諧波，傳統型濾波器的插入損耗為-13.84 dB，改進型濾波器的插入損耗為-35.9 dB，提高了22.06 dB；三次和四次諧波抑制分別為-53.05 dB和-32.91 dB，提高了43.13 dB 和10.05 dB，說明采用DGS可以有效地抑制高階諧波。

另外，改進型濾波器相對傳統型濾波器的中心頻率略有偏離，這主要是由制作工藝的誤差引起的。

圖8　MCL-BPF與S-DGS-BPF的S參數測試結果

表1　S-DGS-BPF（改進型）與MCL-BPF（傳統型）的S21對比

4　結語

本文提出了一種S-DGS微帶濾波器具有寬阻帶特性，可有效地抑制了高階諧波，且在通帶內具有良好性能。S-DGS的慢波效應使得微帶線的有效電長度增加，從而減小了改善型濾波器的物理尺寸，

與MCL-BPF相比尺寸減小了約10%，在小型化濾波器設計中具有良好的應用前景。

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馮夢璐（1991-），漢族，女，湖南岳陽人，北京信息科技大學，碩士研究生，主要研究方向基于PCB的芯片無線互連微通信系統結構研究，fml9159@126.com；

楊曙輝（1971-），漢族，男，黑龍江寶清人，中國傳媒大學，教授，主要從事射頻通信及高速電路信號完整性分析，huis?huyang@sina.com。

Design of New DC-DC Converter with Wide Output Voltage Range

SUN Baowen*

（Department of Mechanical and electronic Engineering，Guangdong Institute of Science and Technology，Zhuhai Guangdong 519090，China）

Abstract：A practical quadratic converter with output voltage range is proposed，and the converter works are ana?lyzed. The important puts of the main circuit such as power tubes，transformers，diodes，capacitors and output in?ductor are designed. According to the results of the design，the converter has been produced，those important com?ponent waveforms are observed by oscilloscope. By examining the efficiency of the prototype，full load efficiency reaches above 80%，the maximum duty cycle of 0.65，the correctness of the design is verified.

Key words：quadratic converter；wide voltage range；design；duty cycle；efficiency

doi：EEACC：1290B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.015

收稿日期：2015-04-21修改日期：2015-07-05

中圖分類號：TN713.5

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0067-05