一种基于T型缺陷微带结构低通滤波器

董会旭，白渭雄，李天鹏

(空军工程大学导弹学院，陕西 三原 713800)

0 引言

现代通信中滤波器的重要性毋庸置疑。在通信系统中，它可以实现信道选择、镜像消除和寄生滤波等多种功能［1－3］，因此滤波器在通信系统中起着十分重要的意义。那么，设计出一款高性能的滤波器意义重大。

缺陷地面结构(Defected Ground Structure，DGS)用于滤波器设计，自1999年被首次提出，以其具有良好的禁带效性和慢波效应且设计简单，迅速成为滤波器设计领域的一大热点。然而，由于DGS的接地板有缺陷，容易产生电磁泄漏，对微波电路中其他部件造成干扰，并且不易与其他电路集成，因此不利于微波单片集成电路的设计。本文基于缺陷地面结构提出了一种T型缺陷微带结构(Defected Microstrip Structure，DMS)，通过在微带线的金属导带上刻蚀一个槽型结构，对一定的频率产生阻带性，从而实现禁带和慢波性能［2］。深入研究了T型DMS的阻带特性与槽尺寸的关系。在此基础上，设计并制作了一款基于T型缺陷微带结构的低通滤波器，仿真以及实测结果表明，该款滤波器滤波性能良好、设计方法简单、电磁泄漏小、成本低，并且易于和其他电路集成。

1 基于T型DMS低通滤波器的理论与设计

1.1 T型DMS传输线特性分析

图1为T型DMS传输线，其由导带上刻蚀的两个相互垂直的矩形槽构成，小槽长为c，宽为g，垂直且紧贴于传输线一长边，大槽长为l，宽为b，垂直于小槽中心线且紧贴于一短边。在此结构下，由于增加了微带线的电长度，因而扰乱了传导电流的分布，而正是该扰乱的电流分布能够改变传输线的特性，从而使微带线具有带阻特性和慢波特性。

图1 T型DMS传输线

为研究DMS传输特性与缺陷槽尺寸之间的关系，选择厚度为0.79 mm的Rogers RT/duroid5880介质板(相对介电常数2.2)、导带宽度为2.4 mm的微带贴片(特性阻抗为50)，进行电磁仿真，仿真软件使用Ansoft Designer。通过固定其中3个参数值而改变另1个参数值来观察频率特性的变化，如图2～图5所示。其中，图2为b=0.7 mm，c=0.85 mm，g=0.2 mm时不同l值对DMS传输特性的影响，图3为l=13 mm，c=0.35 mm，g=0.2 mm，不同b值对DMS传输特性的影响，图4为l=13 mm，b=0.7 mm，g=0.2 mm时不同c值对DMS传输特性的影响，图5为l=13 mm，b=0.7 mm，c=0.35 mm时不同g值对DMS传输特性的影响。

图2 不同l值对DMS传输特性的影响

图3 不同b值对DMS传输特性的影响

图4 不同c值对DMS传输特性的影响

图5 不同g值对DMS传输特性的影响

由图2可知，随着大槽长度l的增加，谐振频率f0向较低的频率位置移动，且谐振点逐渐加深。当l=7 mm时，谐振频率(即阻带衰减极点的位置)f0=11.55 GHz;当l=13 mm时，f0=7.25 GHz;当l=19 mm时，f0=5.20 GHz。而图3表明大槽的宽度b对谐振频率几乎没有影响。图4和图5表明，随着小槽长度c的增加和宽度g的减小，谐振频率均有减小的趋势。

其主要原因为:在该T型缺陷微带结构中，大的矩形槽等效为电感，因而其长度与等效电感大小直接相关，而宽度则与等效电感大小关系不大;故当l增加时，等效电感也增加。然而，由于等效电感与谐振频率成反比，因此当电容固定不变时，较高的等效电感就对应了较低的谐振频率。而该结构中的小槽则等效为电容，其宽度g(可看作电容两极板的间距)和长度c(可看作电容极板的长度)直接决定了等效电容的大小，当小槽的宽度g增大和长度c减小，等效电容均减小;由于电容与谐振频率成反比，因此当电感固定不变时，较小的等效电容对应了较高的谐振频率。

通过对上述4个参数的分析，并参照图2～图5，可以得到以下结论:调节大槽长度l和小槽的长度c、宽度g在不同值，就可得到不同谐振频率位置的阻带，而且阻带特性与并联LC谐振电路相似。因此，可以用LC并联谐振电路来等效T型缺陷微带结构［4］，从而来研究该结构的各项性能。

1.2 基于T型DMS低通滤波器的设计

根据传输线理论，当开路短截线长度小于1/4引导波长λg/4时，会表现为容性，可等效为并联电容;而开路长截线长度大于1/4引导波长时，则表现为感性，可等效为并联电感。图6为本文根据T型DMS的传输特性结果设计的低通滤波器，图中左侧的DMS尺寸为l=14 mm，b=0.6 mm，c=0.8 mm，g=0.1 mm，右侧的 DMS尺寸为 l=12 mm，b=0.5 mm，c=0.95 mm，g=0.1 mm，其他尺寸参照图中标记。图中十字型微带线的尺寸由商业软件Ansoft HFSS优化而得。

图6 基于T型DMS低通滤波器结构图

2 仿真和实验测量

为检验设计效果和验证设计的准确性，对所设计的该新型滤波器使用Ansoft Designer进行仿真并进一步优化，然后进行实物加工，并对加工的实物进行了实验测试。实物图见图7，仿真结果和实测结果的比较如图8所示。

图7 基于T型DMS低通滤波器实物图

图8 基于T型DMS低通滤波器S参数的实测结果与仿真结果

由图8可以看出，所设计的新型低通滤波器3 dB截止频率为2.9 GHz，通带插入损耗小于0.15 dB，回波损耗最大旁瓣优于15 dB。仿真结果与测试结果吻合较好，证明了设计方法的正确性。

3 结论

本文提出了一种T型缺陷微带结构，并对其传输特性进行了分析，通过计算、仿真和优化设计了一种新型的基于T型DMS低通滤波器，并进行了电磁仿真和实物加工。所设计的低通滤波器不仅滤波性能良好，而且其设计方法简单，具有电磁泄漏小、易于和其他电路集成以及成本低等优点。

［1］BELL H C.Canonical asymmetric coupled－resonator filters［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，1982，30(9):1335 －1340.

［2］CAMERON R J，YU Ming，WANG Ying.Direct－ coupled microwave filters with single and dual stopbands［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，2005，53(11):3288 －3297.

［3］HONG J S，LANCASTER M J.Microstrip filters for RF/microwave applications［M］.New York:Wiley ＆ Sons，2001.

［4］张胜.微型平面微波滤波器的机构和性能研究［D］.上海:上海大学，2006.