一种新颖的小型宽阻带低通滤波器

(1.空军工程大学 导弹学院，陕西 三原 713800；2.毫米波国家重点实验室，南京 210096；3.桂林空军学院，广西 桂林 541003)

1 引 言

自1988年Radisic等人提出在微带电路底板上蚀刻周期性小孔获得电磁带隙(EBG)特性以来[1]，研究人员就在寻找一些具有宽阻带特性的结构。其中，文献[2-5]分别提出通过串联、级联、并联不同谐振频率的缺陷地面结构(DGS)来获得宽阻带，但是由于单元阻带宽度较窄，因此要获得宽阻带就必须串联、级联多个(≥3)不同谐振频率的DGS，这样势必增加整个电路的尺寸，因此这种方法不利于推广。文献[6-7]提出一种多层微带结构的DGS，但电路加工工艺很困难。文献[8-10]提出了补偿线和加窗函数渐变技术对滤波器进行优化设计，但其面积相对过大，阻带不如人意。

最近，有研究提出了一种新型的小型化宽阻带DGS[11-12]。通过把顶部微带线弯曲，其电路面积大大缩小，而对于滤波器的性能，可以通过补偿线和加窗技术等方法使其有效地提升。从这种思想出发，本文通过把微带线弯成C-型曲线设计了一种新颖的小型宽阻带低通滤波器，其通带内反射损耗的最大旁瓣幅度在-19.5 dB以下，通带波纹系数为0.3 dB，阻带宽度达到10.1 GHz，而其尺寸相对传统的直线型低通滤波器而言降低了25.7%。

2 C-型缺陷地面结构

典型直线型DGS是Jong-Im Park和Chul-Soo Kim等人提出的一种哑铃型缺陷地面结构(Dumbbell-shape Defected Ground Structure, DB-DGS)，结构如图1(a)所示。其顶部是宽度为50 Ω的微带线，地板上腐蚀的孔为哑铃形[13]，由于这是一种一维周期性排列结构，占用面积较大，所以不可取。通过弯曲微带线，本文提出了一种新颖的微带结构，其结构如图1(b)所示。其中，标注的b、d和g是以原点O为圆心，以(R+w/2)为半径的弧长。

(a)直线型DGS

(b)C-型DGS图1 两种DGSFig.1 Two types of DGS

本文应用微带介质材料Rogers R04350(εr=3.48，h=0.8 mm)设计了谐振中心频率在fr=8 GHz的直线型DGS和相对应的C-型DGS结构。顶部50 Ω微带线宽度为w=1.7 mm，地板上单元的排列周期d=10 mm。为了避免腐蚀单元相交，使缺陷地面结构与微带线一同弯曲，两种结构的尺寸如表1所示。由此得出，直线型DGS结构电路尺寸为8.4 cm2，而C-型DGS结构电路尺寸为6.28 cm2，同比减小了25.7%。利用电磁场仿真软件HFSS10.0对直线型DGS和C-型DGS进行仿真分析，其S参数的仿真结果如图2所示。由图2可知，C-型DGS与直线型DGS结构相比较，整体性能没有大的变化，但电路的占用面积明显减小，有利于结构的小型化设计。

表1 直线型与C-型结构参数值Table 1 The parameter of straight DGS and C-shape DGS

图2 直线型与C-型结构的S参数仿真结果Fig.2 Simulation result of S parameters of straight and C-shape structures

3 C-型DGS低通滤波器

本文利用所提出的C-型DGS结构设计了一种低通滤波器。为了降低通带波纹，根据文献[8-10]的思想，采用补偿线和加窗函数渐变技术等方法优化滤波器的设计。所设计宽阻带低通滤波器的结构如图3所示。采用补偿线来改善通带反射损耗，采用高斯加窗函数来加权处理缺陷地面结构的尺寸大小，改善通带波纹，同时保证阻带宽度和抑制深度。表2给出了滤波器的尺寸。图3(b)中标注的b1、b2、D和g是以原点O为圆心，以(R+w/2)为半径的弧长。

(a)三维视图

(b)底视图

(c)俯视图

表2 C型DGS低通滤波器参数值Table 2 The parameters of the C-shape DGS low-pass filter

根据上述参数，对此结构进行了仿真和实物加工，实物模型如图4所示。利用HP8720ET矢量网络分析仪对上述电路进行测试，实测结果如图5所示。与仿真结果比较，测试结果与仿真结果比较吻合。测试结果表明，通带波纹系数为0.3 dB，通带内反射损耗的最大旁瓣幅度为-19.5 dB，20 dB以下的阻带宽度可达10.1 GHz，实现了宽阻带。与已有文献结果作对比，如表3所示。由表3可知，本文所提出的C-型DGS低通滤波器各项性能大大优于已有文献结果。

(a)顶视图

(b)底视图图4 C-型DGS低通滤波器实物模型Fig.4 Photographs of the C-shape DGS low-pass filter

图5 C-型DGS低通滤波器S参数仿真与测试结果Fig.5 Simulation result and measurement result of S parameters of C-shape DGS low-pass filter

表3 低通滤波器性能的比较Table 3 Performance comparison of low-pass filters

4 结 论

针对电磁带隙结构在实际应用中的小型化和宽阻带问题，本文提出了一种新颖的C-型DGS低通滤波器。通过弯曲微带线，缩减了低通滤波器尺寸。采用补偿线和渐变技术对微带线进行调整，使所提出的低通滤波器具有低插损，同时获得宽阻带。对提出的滤波器做了加工并进行了实物测量，结果表明，所设计滤波器的通带反射损耗的最大旁瓣幅度为-19.5 dB，20 dB阻带宽度为10.1 GHz。相对于直线型结构而言，电路面积减小了25.7%。由于所提出结构具有低插入损耗、小尺寸和宽阻带等优点，适合应用于常规平面电路。

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