一種新穎的小型寬阻帶低通濾波器

(1.空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原 713800；2.毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；3.桂林空軍學(xué)院，廣西 桂林 541003)

1 引 言

自1988年Radisic等人提出在微帶電路底板上蝕刻周期性小孔獲得電磁帶隙(EBG)特性以來(lái)[1]，研究人員就在尋找一些具有寬阻帶特性的結(jié)構(gòu)。其中，文獻(xiàn)[2-5]分別提出通過(guò)串聯(lián)、級(jí)聯(lián)、并聯(lián)不同諧振頻率的缺陷地面結(jié)構(gòu)(DGS)來(lái)獲得寬阻帶，但是由于單元阻帶寬度較窄，因此要獲得寬阻帶就必須串聯(lián)、級(jí)聯(lián)多個(gè)(≥3)不同諧振頻率的DGS，這樣勢(shì)必增加整個(gè)電路的尺寸，因此這種方法不利于推廣。文獻(xiàn)[6-7]提出一種多層微帶結(jié)構(gòu)的DGS，但電路加工工藝很困難。文獻(xiàn)[8-10]提出了補(bǔ)償線和加窗函數(shù)漸變技術(shù)對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但其面積相對(duì)過(guò)大，阻帶不如人意。

最近，有研究提出了一種新型的小型化寬阻帶DGS[11-12]。通過(guò)把頂部微帶線彎曲，其電路面積大大縮小，而對(duì)于濾波器的性能，可以通過(guò)補(bǔ)償線和加窗技術(shù)等方法使其有效地提升。從這種思想出發(fā)，本文通過(guò)把微帶線彎成C-型曲線設(shè)計(jì)了一種新穎的小型寬阻帶低通濾波器，其通帶內(nèi)反射損耗的最大旁瓣幅度在-19.5 dB以下，通帶波紋系數(shù)為0.3 dB，阻帶寬度達(dá)到10.1 GHz，而其尺寸相對(duì)傳統(tǒng)的直線型低通濾波器而言降低了25.7%。

2 C-型缺陷地面結(jié)構(gòu)

典型直線型DGS是Jong-Im Park和Chul-Soo Kim等人提出的一種啞鈴型缺陷地面結(jié)構(gòu)(Dumbbell-shape Defected Ground Structure, DB-DGS)，結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。其頂部是寬度為50 Ω的微帶線，地板上腐蝕的孔為啞鈴形[13]，由于這是一種一維周期性排列結(jié)構(gòu)，占用面積較大，所以不可取。通過(guò)彎曲微帶線，本文提出了一種新穎的微帶結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。其中，標(biāo)注的b、d和g是以原點(diǎn)O為圓心，以(R+w/2)為半徑的弧長(zhǎng)。

(a)直線型DGS

(b)C-型DGS圖1 兩種DGSFig.1 Two types of DGS

本文應(yīng)用微帶介質(zhì)材料Rogers R04350(εr=3.48，h=0.8 mm)設(shè)計(jì)了諧振中心頻率在fr=8 GHz的直線型DGS和相對(duì)應(yīng)的C-型DGS結(jié)構(gòu)。頂部50 Ω微帶線寬度為w=1.7 mm，地板上單元的排列周期d=10 mm。為了避免腐蝕單元相交，使缺陷地面結(jié)構(gòu)與微帶線一同彎曲，兩種結(jié)構(gòu)的尺寸如表1所示。由此得出，直線型DGS結(jié)構(gòu)電路尺寸為8.4 cm2，而C-型DGS結(jié)構(gòu)電路尺寸為6.28 cm2，同比減小了25.7%。利用電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS10.0對(duì)直線型DGS和C-型DGS進(jìn)行仿真分析，其S參數(shù)的仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，C-型DGS與直線型DGS結(jié)構(gòu)相比較，整體性能沒(méi)有大的變化，但電路的占用面積明顯減小，有利于結(jié)構(gòu)的小型化設(shè)計(jì)。

表1 直線型與C-型結(jié)構(gòu)參數(shù)值Table 1 The parameter of straight DGS and C-shape DGS

圖2 直線型與C-型結(jié)構(gòu)的S參數(shù)仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of S parameters of straight and C-shape structures

3 C-型DGS低通濾波器

本文利用所提出的C-型DGS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種低通濾波器。為了降低通帶波紋，根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]的思想，采用補(bǔ)償線和加窗函數(shù)漸變技術(shù)等方法優(yōu)化濾波器的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)寬阻帶低通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用補(bǔ)償線來(lái)改善通帶反射損耗，采用高斯加窗函數(shù)來(lái)加權(quán)處理缺陷地面結(jié)構(gòu)的尺寸大小，改善通帶波紋，同時(shí)保證阻帶寬度和抑制深度。表2給出了濾波器的尺寸。圖3(b)中標(biāo)注的b1、b2、D和g是以原點(diǎn)O為圓心，以(R+w/2)為半徑的弧長(zhǎng)。

(a)三維視圖

(b)底視圖

(c)俯視圖

表2 C型DGS低通濾波器參數(shù)值Table 2 The parameters of the C-shape DGS low-pass filter

根據(jù)上述參數(shù)，對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和實(shí)物加工，實(shí)物模型如圖4所示。利用HP8720ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)上述電路進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。與仿真結(jié)果比較，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合。測(cè)試結(jié)果表明，通帶波紋系數(shù)為0.3 dB，通帶內(nèi)反射損耗的最大旁瓣幅度為-19.5 dB，20 dB以下的阻帶寬度可達(dá)10.1 GHz，實(shí)現(xiàn)了寬阻帶。與已有文獻(xiàn)結(jié)果作對(duì)比，如表3所示。由表3可知，本文所提出的C-型DGS低通濾波器各項(xiàng)性能大大優(yōu)于已有文獻(xiàn)結(jié)果。

(a)頂視圖

(b)底視圖圖4 C-型DGS低通濾波器實(shí)物模型Fig.4 Photographs of the C-shape DGS low-pass filter

圖5 C-型DGS低通濾波器S參數(shù)仿真與測(cè)試結(jié)果Fig.5 Simulation result and measurement result of S parameters of C-shape DGS low-pass filter

表3 低通濾波器性能的比較Table 3 Performance comparison of low-pass filters

4 結(jié) 論

針對(duì)電磁帶隙結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的小型化和寬阻帶問(wèn)題，本文提出了一種新穎的C-型DGS低通濾波器。通過(guò)彎曲微帶線，縮減了低通濾波器尺寸。采用補(bǔ)償線和漸變技術(shù)對(duì)微帶線進(jìn)行調(diào)整，使所提出的低通濾波器具有低插損，同時(shí)獲得寬阻帶。對(duì)提出的濾波器做了加工并進(jìn)行了實(shí)物測(cè)量，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)濾波器的通帶反射損耗的最大旁瓣幅度為-19.5 dB，20 dB阻帶寬度為10.1 GHz。相對(duì)于直線型結(jié)構(gòu)而言，電路面積減小了25.7%。由于所提出結(jié)構(gòu)具有低插入損耗、小尺寸和寬阻帶等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于常規(guī)平面電路。

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