基于缺陷地結構的小型化雙頻帶帶通濾波器

張洪欣　張旭東　賀鵬飛

(1.北京郵電大學電子工程學院,北京 100876;2.安全生產智能監控北京市重點實驗室(北京郵電大學),北京 100876;3.煙臺大學光電信息技術學院,煙臺 264005)

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基于缺陷地結構的小型化雙頻帶帶通濾波器

張洪欣1，2張旭東1賀鵬飛3

(1.北京郵電大學電子工程學院,北京 100876;2.安全生產智能監控北京市重點實驗室(北京郵電大學),北京 100876;3.煙臺大學光電信息技術學院,煙臺 264005)

摘要提出了一種新型的基于缺陷地結構的雙頻帶帶通微帶濾波器. 缺陷地結構采用雙模開口諧振環形式,并使用不同組合方式的雙模開口諧振環產生兩個通帶. 濾波器的兩個工作中心頻率分別為3.5 GHz和5.8 GHz,其中第一個頻帶涵蓋了所有全球微波互聯接入的應用頻段,第二個頻帶可以應用于雷達設備. 為了進一步證實這款濾波器的性能,基于Roggers RT5880 板材制作了濾波器實物,整體濾波器的大小僅為20 mm×20 mm,測量數據和仿真結果吻合較好,并且有兩個傳輸零點,可以滿足工程上的需要.

關鍵詞缺陷地結構;小型化;雙模開口諧振環;微帶帶通濾波器

引言

微帶濾波器具有體積小、易于制作、易于集成等特點,相比于其他濾波器能更好地應用到電子系統當中去. 隨著無線通信技術的迅速發展,許多系統如無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)工作在雙頻段下,于是對雙頻帶微帶濾波器的研究也日益興起. 雙頻帶濾波器設計的方法主要有階梯阻抗(Stepped Impedance Resonator,SIR)法[1]、枝節加載(Stub-Loaded Resonator,SLR)法[2]等. SIR是利用對雜散頻率的可控特性,通過調節阻抗比來對雜散頻率進行控制形成第二個通帶[3]. SLR則是利用在諧振器上加載開路枝節或短路枝節產生新的諧振,進而產生雙頻帶效應. 此外,近些年來也有學者采用理論性較強的空間映射法來構造雙頻帶濾波器[4].

缺陷地結構(Defected Ground Structure, DGS)也是一種構造雙頻帶濾波器的方法,由韓國學者J. L. Park等人于1999年提出. DGS是通過在接地板上刻蝕一定形狀的圖形,擾亂地平面上的分布電流,從而改變傳輸線的特性,改變有效電容、有效電感,從而使其具有了帶阻特性和慢波特性[5]. 如果將一定的DGS加以組合,那么可以構成微帶濾波器[6]. 相對于其他方法,DGS的優點是缺陷單元的結構可以決定諧振頻率,并且利用了微帶濾波器的雙層金屬層,相比于單層的結構,有利于濾波器的小型化設計. 開口諧振環(Split-Ring Resonator, SRR)是實現頻率諧振的重要形式,分為微帶開口諧振環和地面缺陷開口諧振環(DGS SRR)兩種. 開口諧振環可以等效為半波長諧振器,隨著長度的增加而諧振頻率降低,也可用于設計復合材料的基本單元[7]. 另外,通過引入枝節加載的DGS SRR結構,還可以產生可控的傳輸零點[8],有利于帶通濾波器的設計.

我們提出了一種基于組合型雙模DGS SRR結構的雙通帶帶通濾波器. 通過不同大小及數量的雙模DGS SRR結構產生兩個通頻帶. 第一個通帶的中心頻率位于3.5 GHz,并且覆蓋了全球微波互聯接入(World Interoperability for Microwave Access,WiMAX)的各個頻段;第二個通帶的中心頻率位于5.8 GHz,可以用于雷達系統. 并且在兩個通帶之間有兩個傳輸零點,可以基本滿足工程上的需求. 更重要的是,相比于用SIR和SLR方法制作的雙頻帶濾波器,所提出的結構具有更小的尺寸,整體尺寸(包括基板)為20 mm×20 mm.

1雙模DGS SRR原理

DGS是在光子帶隙結構的基礎上發展起來的. 它與光子帶隙結構一樣,能夠使得特定頻率段內的電磁波不能在其中傳輸,具有明顯的禁帶特性. DGS之所以會有禁帶特性,主要是因為DGS引入了附加的電感和電容;附加電感的引入提高了DGS傳輸線的特性阻抗. DGS的禁帶特性可以直接應用于濾波器的設計,主要的應用方式有兩種： 一種是直接利用DGS的頻率選擇特性通過組合的形式構成電路;另外一種是在已有的濾波器結構上添加DGS,以改善濾波器的阻帶特性或者形成新的通帶.

傳統的DGS SRR結構和雙模DGS SRR結構如圖1所示. 圖1(b)中帶有開路枝節的DGS SRR結構首先由B. R. Guan等提出[6]. 而對于雙模DGS SRR,如果采用奇偶模分析法奇模諧振器由外環組成(L1+L2+L3);偶模諧振器由外環及其內部的開路枝節組成(L1+L2+L3+L4+L5). 對于奇模諧振情況,開路枝節中幾乎沒有表面電流和電場的分布,其諧振條件可以表示為

Yin,odd=-jYocotθo=0,

(1)

即

θo=β(L1+L2+L3)

=π/2, f=fo.

(2)

式中: θo代表奇模開口諧振環的電長度; fo代表奇模諧振頻率; β為電磁波在微帶結構中的傳播常數; Yo代表開口諧振環的特征導納．同理,對于偶模模式,諧振條件為:

(3)

式中: fe代表偶模諧振頻率; θ1=βL4和θ2=βL5代表開路枝節的電長度; R1和R2分別代表開口諧振環和開路枝節兩部分的導納比．

通過式(2)和式(3)可以了解到,開路枝節加載的雙模DGS SRR結構具有獨立可調節的奇模諧振頻率和偶模諧振頻率,奇模諧振主要發生在開口諧振環上,而偶模諧振頻率發生在開口諧振環和加載的開路枝節中,所以相對于傳統的DGS SRR結構,雙模DGS SRR結構可以通過調節開路枝節的尺寸,來對其諧振頻率進行靈活地調節．

對這兩種不同DGS SRR的諧振情況進行了仿真,仿真結果如圖2所示.從圖2可以看出傳統的DGS SRR結構諧振點單一,應用于濾波器設計時難以形成有效的通帶. 而對于雙模DGS SRR,在2.4 GHz附近有兩個諧振點,將其應用于濾波器設計時可以得到有效的插入損耗小的通帶,得到更為陡峭的通帶效應. 由于奇偶模諧振頻率的獨立性,該結構具有更好的可調節性,可以控制諧振點的位置以及兩個諧振點之間的間距.

(a) 傳統DGS SRR結構

(b) 雙模DGS SRR結構圖1　傳統DGS SRR結構和雙模DGS SRR結構

圖2　傳統DGS SRR結構和雙模DGS SRR結構的頻帶響應

基于圖1(b)中的DGS SRR結構,調節DGS SRR結構的大小,并利用DGS SRR的結構組合設計了一款新型的雙通帶濾波器.

2雙頻帶濾波器的設計

首先,根據DGS SRR結構設計了一款工作頻率位于3.5 GHz的單頻帶濾波器如圖3所示. 其中:l1=4.5 mm,l2=14 mm,l3=12 mm,l4=6.5 mm,l5=1.8 mm,l6=9 mm,w1=2 mm,w2=0.5 mm,w3=0.5 mm,w4=2.8 mm,w5=0.3 mm,s1=1 mm.

(a)

(b)圖3　基于雙模DGS SRR結構的單頻帶濾波器

這款單通帶濾波器的S21如圖4所示,從圖中可以看出:單頻帶濾波器的工作頻率位于3.5 GHz附近,插入損耗小于0.5 dB,阻帶抑制在-20 dB以下,具有良好的通帶特性和阻帶特性．如果此時調節s1和w4的大小,濾波器的中心頻率將會隨之改變.

基于單頻帶濾波器結構,我們采用兩個尺寸較小的DGS SRR結構級聯在原有DGS SRR結構的下方,引入新的諧振,進而產生了新的通帶,構成了一款雙頻帶的帶通濾波器,雙頻帶濾波器的上層版圖與單頻帶濾波器一致,下層版圖如圖5所示. 其中:l7=5.6 mm,l8=5.45 mm,l9=2 mm,l10=3.4 mm,w6=0.3 mm,w7=1.5 mm,w8=0.8 mm,s2=0.4 mm. 為了進一步證實這款濾波器的性能,我們基于Roggers RT5880 板材(厚度0.787 mm)制作了這款濾波器的實物,如圖6所示,由于采用了緊湊結構,濾波器的大小僅為20 mm×20 mm. 仿真和測試的S21參數如圖7所示.

圖4　單頻帶濾波器的S21參數

圖5　雙頻帶濾波器的下層結構版圖

圖6　雙頻帶濾波器實物圖

從圖7可以看出:雙頻帶濾波器工作于3.5 GHz和5.8 GHz,阻帶抑制在-20 dB以下,具有良好的阻帶特性. 在仿真曲線中,3.5 GHz頻帶的插入損耗在1 dB以下,5.8 GHz的插入損耗在2 dB以下,都具有較好的特性,而且在4.6 GHz與5.5 GHz附近有兩個傳輸零點. 測量曲線與仿真曲線基本吻合,由于濾波器尺寸較小,SMA接頭上的金屬結構可能會對其產生影響,在測量時由于同軸電纜的張力,板材的韌性導致其微小的形變,以及SMA接頭的焊接問題,導致了測試曲線與仿真曲線產生了一定誤差,但基本符合工程需要.

圖7　雙頻帶濾波器S21參數仿真與測試結果對比

3結論

目前,單純基于DGS的雙通帶濾波器往往采用相同結構級聯的方式,結果導致濾波器的尺寸偏大. 論文通過采用不同DGS SRR結構組合的形式,提出了一款結構緊湊的基于DGS的雙頻帶微帶濾波器,整體大小為20 mm×20 mm. 兩個頻帶分別可以應用于WiMAX和雷達系統,兩個通帶之間具有兩個傳輸零點,具有良好的阻帶隔離特性,并且每個通帶的插入損耗都小于2 dB. 另外,對設計的濾波器進行了實物制作,從測試結果來看,仿真和測試的結果基本吻合,該濾波器滿足工程應用的需要.

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Miniaturized dual-band bandpass filter using defected ground structure

ZHANG Hongxin1,2ZHANG Xudong1HE Pengfei3

(1.SchoolofElectronicEngineering,BeijingUniversityofPostandTelecommunication,Beijng100876,China;2.BeijingKeyLaboratoryofWorkSafetyIntelligentMonitoring,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China;3.SchoolofOpto-electronicInformationScienceandTechnology,YantaiUniversity,Yantai264005,China)

AbstractA novel band-pass microstrip filter using defected ground structure (DGS) is proposed. Dual-mode split-ring resonator (SRR) is utilized to form the DGS structure so that different passband can be obtained by different types of dual-mode SRRs, and the center frequencies of the filter is 3.5 GHz and 5.8 GHz, respectively. The first passband contains the whole application frequencies of worldwide interoperability for microwave access and the second passband can be used for radar system. For validating the filter further, a filter based on Roggers RT5880 is fabricated. The measured results agree well with the simulated results. The insertion loss within each passband is less than 2 dB and two transmission zeros are obtained, which meets the engineering requirements, and the overall size of the filter is 20mm×20mm.

Keywordsdefected ground structure; miniaturization; dual-mode split-ring resonator; microstrip bandpass filter

收稿日期：2015-06-11

中圖分類號TN713+.5

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0363-05

DOI10.13443/j.cjors.2015061103

作者簡介

張洪欣(1969-),男,山東人,北京郵電大學電子院教授,博士生導師. 通信與電磁工程實驗室主任,國家自然科學基金項目同行評議專家,教育部學位與研究生教育發展中心評議專家,中國電子學會DSP應用專家委員會委員,中國工業和信息化部科技人才庫專家,北京市科學技術獎勵評審專家,北京電子電器協會電磁兼容分會委員,中華醫學預防會自由基委員會委員,江蘇省科技計劃評審專家,北京郵電大學育人標兵.

張旭東(1990-),男,河北人,北京郵電大學碩士研究生,主要研究方向為電磁場與微波技術.

賀鵬飛(1981-),男,山東人,煙臺大學光電信息科學技術學院副教授．2007年7月于北京郵電大學獲電磁場與微波技術博士學位．研究方向為無線體域網,短距離無線通信,寬帶接入網,電磁兼容．

張洪欣, 張旭東, 賀鵬飛. 基于缺陷地結構的小型化雙頻帶帶通濾波器 [J]. 電波科學學報,2016,31(2):363-367. DOI: 10.13443/j.cjors. 2015061103

ZHANG H X, ZHANG X D, HE P F. Miniaturized dual-band bandpass filter using defected ground structure[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):363-367. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015061103

資助項目: 國家自然科學基金(61571063, 61202399)

聯系人： 張旭東 E-mail：zxdpqh@163.com