一種新型DGS寬帶帶通濾波器

宛新文， 何宏慶, 李民權(quán), 彭 猛, 常海星

(安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230039)

一種新型DGS寬帶帶通濾波器

宛新文， 何宏慶, 李民權(quán), 彭 猛, 常海星

(安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230039)

文章提出了一種新型對(duì)稱開口諧振環(huán)缺陷地結(jié)構(gòu)(defected ground structure,DGS)帶通濾波器,該濾波器具有低插損、寬帶、小型化、易加工等特點(diǎn)。該文對(duì)開口諧振環(huán)DGS單元進(jìn)行了分析,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作了含3個(gè)對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS寬帶帶通濾波器。仿真和測(cè)試結(jié)果表明:該帶通濾波器的插入損耗為0.9 dB,回波損耗為-12.5 dB,相對(duì)帶寬為7%。

微帶帶通濾波器;缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS);小型化;寬帶;開口諧振環(huán)

0 引 言

文獻(xiàn)[1-2]在研究光子帶隙(photonic band gap,PBG)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,首次提出了缺陷地結(jié)構(gòu)(defected ground structure,DGS)。DGS可以利用簡(jiǎn)單的LC諧振等效電路進(jìn)行分析,其諧振頻率可以通過(guò)物理參數(shù)來(lái)控制[3]。通過(guò)在傳輸線的接地板上腐蝕出缺陷圖案來(lái)改變微帶線地板電流的分布,從而改變微帶線的分布電容和分布電感,可以使DGS構(gòu)成的微帶線具有帶阻和慢波特性,實(shí)現(xiàn)較寬的頻帶[4]。此外,DGS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低[5],適合在微波、毫米波電路中應(yīng)用[6]。

本文在發(fā)卡帶通濾波器的設(shè)計(jì)中,引入了新型對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS。與傳統(tǒng)的開口諧振環(huán)DGS相比[7],該新型DGS可以產(chǎn)生2個(gè)傳輸零點(diǎn)和較寬的阻帶寬度。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化DGS可以改變所設(shè)計(jì)的發(fā)卡帶通濾波器的傳輸極點(diǎn),其相對(duì)帶寬和通帶內(nèi)的插入損耗也得到了較大的改善。

1 對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS設(shè)計(jì)

本文提出了一種對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS,結(jié)構(gòu)如圖1a所示，該諧振單元由2個(gè)開口諧振環(huán)對(duì)稱排列組成。開口諧振環(huán)DGS的等效電路如圖1b所示,左、右2個(gè)環(huán)分別產(chǎn)生L1、C1組成的并聯(lián)諧振回路。

圖1 對(duì)稱的開口諧振環(huán)DGS

DGS的S參數(shù)如圖2所示。由圖2可以看出,該對(duì)稱開口諧振環(huán)可以產(chǎn)生2個(gè)傳輸零點(diǎn),分別由2個(gè)環(huán)產(chǎn)生。

圖2 DGS的S參數(shù)曲線

為了討論對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS對(duì)其構(gòu)成的帶通濾波器特性的影響,本文對(duì)引入的新型DGS單元的幾何尺寸進(jìn)行了仿真分析,并分別研究了開口環(huán)邊長(zhǎng)l、開口寬度m1與傳輸特性之間的關(guān)系。

l對(duì)諧振頻率fs的影響曲線如圖3a所示。由圖3a可知,隨著l的逐漸增大,諧振頻率fs逐漸減小。當(dāng)l增大時(shí),諧振環(huán)的等效電感L1增大,諧振環(huán)開口處的電容C1減小,諧振頻率fs向低端移動(dòng)，并且傳輸線的等效電感L2和等效電容C2也隨之增大。

m1對(duì)諧振頻率fs的影響曲線如圖3b所示。由圖3b可知,隨著m1的逐漸增大,諧振頻率fs逐漸增大。當(dāng)m1增大時(shí),諧振環(huán)的等效電感L1減小,諧振環(huán)開口處的電容C1減小,諧振頻率fs向高端移動(dòng)，而傳輸線的等效電感L2和等效電容C2基本保持不變。

圖3 DGS的特性曲線

通過(guò)對(duì)對(duì)稱開口諧振環(huán)頻率響應(yīng)的分析可知,在對(duì)稱開口諧振環(huán)寬度w和兩環(huán)間距d一定的情況下,諧振環(huán)的等效電感L1主要取決于諧振環(huán)的邊長(zhǎng)l,等效電容C1主要取決于諧振環(huán)的開口寬度m1。此外,傳輸線的等效電感L2和等效電容C2都隨著諧振環(huán)的邊長(zhǎng)l增加而增加。該對(duì)稱開口諧振環(huán)的諧振頻率由L1、C1、C2構(gòu)成的并聯(lián)支路諧振頻率fs確定,fs的表達(dá)式為:

(1)

因?yàn)長(zhǎng)C等效電路的等效阻抗與單極點(diǎn)巴特沃茲低通濾波器的等效阻抗相等,所以可以求得等效電容與電感。

與單極點(diǎn)巴特沃茲低通濾波器擬合可以得到諧振電路的電容、電感[1]為:

(2)

(3)

其中,f0為單極點(diǎn)巴特沃茲低通濾波器的諧振頻率;ωc為3 dB衰減角頻率;ω0為負(fù)載阻抗;Z0為負(fù)載特性阻抗；C為電路等效電阻；g1=2為單極點(diǎn)巴特沃茲低通濾波器歸一化電感元件值。

2 帶通濾波器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的發(fā)卡帶通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖4a所示。發(fā)卡諧振器的長(zhǎng)度t=6.1 mm,寬度f(wàn)=0.1 mm,開口寬度p=1.25 mm,發(fā)卡諧振器之間的距離e=1.25 mm。輸入/輸出為50 Ω?jìng)鬏斁€,寬度h=1.5 mm。該結(jié)構(gòu)被刻蝕在介質(zhì)層為Rogers RO3210、相對(duì)介電常數(shù)為10.2、厚度為0.8 mm的介質(zhì)材料上。

采用高頻仿真軟件HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,其S參數(shù)的仿真結(jié)果如圖4b所示。其中，S11為反射系數(shù)，S21為傳輸系數(shù)。

由圖4可知，通帶中心頻率為5.7 GHz,3 dB帶寬為30 MHz,回波損耗為-23.0 dB,插入損耗為-1.0 dB。

圖4 發(fā)卡帶通濾波器的結(jié)構(gòu)和S參數(shù)

由于所設(shè)計(jì)的對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS單元有2個(gè)傳輸零點(diǎn)和較寬的阻帶寬度,可將其應(yīng)用在濾波器設(shè)計(jì)上。

刻蝕了單個(gè)對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS的發(fā)卡濾波器結(jié)構(gòu)如圖5a所示，其具體尺寸為:w=0.17 mm,l=4 mm,d=2.2 mm,m1=2.2 mm。單個(gè)DGS帶通濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖5b所示,其中心頻率為4.53 GHz,插入損耗為-3.4 dB,回波損耗為-13.8 dB,相對(duì)帶寬為2%。

由圖5可知,由于刻蝕了DGS,引入了帶阻和慢波特性,發(fā)卡形帶通濾波器的傳輸極點(diǎn)發(fā)生了改變。但是加入單個(gè)DGS單元的帶通濾波器的通帶帶寬均很窄,且?guī)?nèi)插損不佳。

為了改善單個(gè)DGS濾波器的帶寬和帶內(nèi)插損,本文設(shè)計(jì)了3個(gè)對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS,其模型結(jié)構(gòu)和等效電路如圖6所示。具體尺寸參數(shù)為m2=0.2 mm,m3=0.45 mm。

圖5 含單個(gè)DGS帶通濾波器的結(jié)構(gòu)和S參數(shù)

圖6 含3個(gè)DGS帶通濾波器的結(jié)構(gòu)和等效電路

采用HFSS 13.0對(duì)所設(shè)計(jì)的帶通濾波器進(jìn)行仿真,并對(duì)濾波器進(jìn)行加工,得出的實(shí)物如圖7所示。

通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)加工的濾波器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖8所示,比較可知,2種結(jié)果基本吻合。

圖7 帶通濾波器實(shí)物

圖8 測(cè)試與仿真結(jié)果比較

由圖8可以看出,隨著對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS的引入,該濾波器通帶內(nèi)增加了2個(gè)傳輸極點(diǎn),相對(duì)帶寬增加到7%。與單個(gè)DGS相比,通帶內(nèi)的插入損耗也得到了改善,由原來(lái)的3.4 dB減小到0.9 dB,回波損耗為-12.5 dB。

3 結(jié) 論

本文提出了一種新型對(duì)稱開口諧振環(huán)DGS,討論了該DGS對(duì)傳輸性能的影響,并將其應(yīng)用在發(fā)卡帶通濾波器上，同時(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行了建模、仿真和實(shí)物加工測(cè)試。研究結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器具有較寬的頻帶和較低的插入損耗。相比于采用文獻(xiàn)[8]方法設(shè)計(jì)的該頻段帶通濾波器,本文帶通濾波器具有更小的加工尺寸(20 mm×12 mm×0.8 mm)。該帶通濾波器可應(yīng)用于微波電路中,并對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)中濾波器的研究具有一定的參考價(jià)值。

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[3] ALIT APRIYANA A A,ZHANG Y P,CHANG J S,et al.Single-pole multiple-throw switches with defected ground structure low-pass filter[J].IET Microwaves, Antennas and Propagation,2014,8(14):1241-1249.

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

A novel broadband bandpass filter with DGS

WAN Xinwen, HE Hongqing， LI Minquan， PENG Meng， CHANG Haixing

(Key Laboratory of Intelligent Computing and Signal Processing of Ministry of Education, Anhui University, Hefei 230039, China)

In this paper, a microstrip bandpass filter with novel symmetrical split-ring resonators defected ground structure(DGS) is proposed. This filter exhibits advantages such as low insertion loss, large range of bandwidth, miniaturization and easy fabrication. The split-ring resonators DGS unit is analyzed. Then the wideband bandpass filter with three symmetrical split-ring resonators DGS is designed. The simulation and testing results show that the bandpass filter with the novel DGS provides insertion loss of 0.9 dB and return loss of -12.5 dB, and the relative bandwidth achieves 7%.

microstrip bandpass filter; defected ground structure(DGS); miniaturization; broadband; split-ring resonator

2015-07-27；

2015-09-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51477001)

宛新文(1967-)，男，安徽合肥人，安徽大學(xué)講師； 李民權(quán)(1968-),男,安徽碭山人,博士,安徽大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.011

TN015

A

1003-5060(2017)01-0059-04