一种新型DGS宽带带通滤波器

宛新文， 何宏庆, 李民权, 彭 猛, 常海星

(安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽 合肥 230039)

一种新型DGS宽带带通滤波器

宛新文， 何宏庆, 李民权, 彭 猛, 常海星

(安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽 合肥 230039)

文章提出了一种新型对称开口谐振环缺陷地结构(defected ground structure,DGS)带通滤波器,该滤波器具有低插损、宽带、小型化、易加工等特点。该文对开口谐振环DGS单元进行了分析,并在此基础上设计并制作了含3个对称开口谐振环DGS宽带带通滤波器。仿真和测试结果表明:该带通滤波器的插入损耗为0.9 dB,回波损耗为-12.5 dB,相对带宽为7%。

微带带通滤波器;缺陷地结构(DGS);小型化;宽带;开口谐振环

0 引 言

文献[1-2]在研究光子带隙(photonic band gap,PBG)结构的基础上,首次提出了缺陷地结构(defected ground structure,DGS)。DGS可以利用简单的LC谐振等效电路进行分析,其谐振频率可以通过物理参数来控制[3]。通过在传输线的接地板上腐蚀出缺陷图案来改变微带线地板电流的分布,从而改变微带线的分布电容和分布电感,可以使DGS构成的微带线具有带阻和慢波特性,实现较宽的频带[4]。此外,DGS结构简单、功耗低[5],适合在微波、毫米波电路中应用[6]。

本文在发卡带通滤波器的设计中,引入了新型对称开口谐振环DGS。与传统的开口谐振环DGS相比[7],该新型DGS可以产生2个传输零点和较宽的阻带宽度。通过设计优化DGS可以改变所设计的发卡带通滤波器的传输极点,其相对带宽和通带内的插入损耗也得到了较大的改善。

1 对称开口谐振环DGS设计

本文提出了一种对称开口谐振环DGS,结构如图1a所示，该谐振单元由2个开口谐振环对称排列组成。开口谐振环DGS的等效电路如图1b所示,左、右2个环分别产生L1、C1组成的并联谐振回路。

图1 对称的开口谐振环DGS

DGS的S参数如图2所示。由图2可以看出,该对称开口谐振环可以产生2个传输零点,分别由2个环产生。

图2 DGS的S参数曲线

为了讨论对称开口谐振环DGS对其构成的带通滤波器特性的影响,本文对引入的新型DGS单元的几何尺寸进行了仿真分析,并分别研究了开口环边长l、开口宽度m1与传输特性之间的关系。

l对谐振频率fs的影响曲线如图3a所示。由图3a可知,随着l的逐渐增大,谐振频率fs逐渐减小。当l增大时,谐振环的等效电感L1增大,谐振环开口处的电容C1减小,谐振频率fs向低端移动，并且传输线的等效电感L2和等效电容C2也随之增大。

m1对谐振频率fs的影响曲线如图3b所示。由图3b可知,随着m1的逐渐增大,谐振频率fs逐渐增大。当m1增大时,谐振环的等效电感L1减小,谐振环开口处的电容C1减小,谐振频率fs向高端移动，而传输线的等效电感L2和等效电容C2基本保持不变。

图3 DGS的特性曲线

通过对对称开口谐振环频率响应的分析可知,在对称开口谐振环宽度w和两环间距d一定的情况下,谐振环的等效电感L1主要取决于谐振环的边长l,等效电容C1主要取决于谐振环的开口宽度m1。此外,传输线的等效电感L2和等效电容C2都随着谐振环的边长l增加而增加。该对称开口谐振环的谐振频率由L1、C1、C2构成的并联支路谐振频率fs确定,fs的表达式为:

(1)

因为LC等效电路的等效阻抗与单极点巴特沃兹低通滤波器的等效阻抗相等,所以可以求得等效电容与电感。

与单极点巴特沃兹低通滤波器拟合可以得到谐振电路的电容、电感[1]为:

(2)

(3)

其中,f0为单极点巴特沃兹低通滤波器的谐振频率;ωc为3 dB衰减角频率;ω0为负载阻抗;Z0为负载特性阻抗；C为电路等效电阻；g1=2为单极点巴特沃兹低通滤波器归一化电感元件值。

2 带通滤波器设计

本文设计的发卡带通滤波器的结构如图4a所示。发卡谐振器的长度t=6.1 mm,宽度f=0.1 mm,开口宽度p=1.25 mm,发卡谐振器之间的距离e=1.25 mm。输入/输出为50 Ω传输线,宽度h=1.5 mm。该结构被刻蚀在介质层为Rogers RO3210、相对介电常数为10.2、厚度为0.8 mm的介质材料上。

采用高频仿真软件HFSS对该结构进行仿真,其S参数的仿真结果如图4b所示。其中，S11为反射系数，S21为传输系数。

由图4可知，通带中心频率为5.7 GHz,3 dB带宽为30 MHz,回波损耗为-23.0 dB,插入损耗为-1.0 dB。

图4 发卡带通滤波器的结构和S参数

由于所设计的对称开口谐振环DGS单元有2个传输零点和较宽的阻带宽度,可将其应用在滤波器设计上。

刻蚀了单个对称开口谐振环DGS的发卡滤波器结构如图5a所示，其具体尺寸为:w=0.17 mm,l=4 mm,d=2.2 mm,m1=2.2 mm。单个DGS带通滤波器的S参数仿真结果如图5b所示,其中心频率为4.53 GHz,插入损耗为-3.4 dB,回波损耗为-13.8 dB,相对带宽为2%。

由图5可知,由于刻蚀了DGS,引入了带阻和慢波特性,发卡形带通滤波器的传输极点发生了改变。但是加入单个DGS单元的带通滤波器的通带带宽均很窄,且带内插损不佳。

为了改善单个DGS滤波器的带宽和带内插损,本文设计了3个对称开口谐振环DGS,其模型结构和等效电路如图6所示。具体尺寸参数为m2=0.2 mm,m3=0.45 mm。

图5 含单个DGS带通滤波器的结构和S参数

图6 含3个DGS带通滤波器的结构和等效电路

采用HFSS 13.0对所设计的带通滤波器进行仿真,并对滤波器进行加工,得出的实物如图7所示。

通过矢量网络分析仪对加工的滤波器进行了测试，测试结果与仿真结果的对比如图8所示,比较可知,2种结果基本吻合。

图7 带通滤波器实物

图8 测试与仿真结果比较

由图8可以看出,随着对称开口谐振环DGS的引入,该滤波器通带内增加了2个传输极点,相对带宽增加到7%。与单个DGS相比,通带内的插入损耗也得到了改善,由原来的3.4 dB减小到0.9 dB,回波损耗为-12.5 dB。

3 结 论

本文提出了一种新型对称开口谐振环DGS,讨论了该DGS对传输性能的影响,并将其应用在发卡带通滤波器上，同时对所设计的滤波器进行了建模、仿真和实物加工测试。研究结果表明,本文设计的带通滤波器具有较宽的频带和较低的插入损耗。相比于采用文献[8]方法设计的该频段带通滤波器,本文带通滤波器具有更小的加工尺寸(20 mm×12 mm×0.8 mm)。该带通滤波器可应用于微波电路中,并对无线通信系统中滤波器的研究具有一定的参考价值。

[1] AHN D,PARK J S,KIM C S,et al.A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(1):86-93.

[2] PARK J I,KIM C S,KIM J,et al.Modeling of a photonic bandgap and its application for the low-pass filter design [C]//Asia Pacific Microwave Conference.Singapore:[s.n.],1999:331-334.

[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.

[4] 胡成康,杨维明,杨武韬,等.基于 DGS 和 SIR 单元的超宽阻带低通滤波器设计[J].电子器件,2012,35(6),746-750.

[5] LIM J S,KIM C S,LEE Y T,et al.Vertically periodic defected ground structure for planar transmission lines[J].Electronics Letters,2002,38(15):803-804.

[6] 张友俊,王振,李臣云.一种新型缺陷地结构带阻滤波器[J].现代雷达,2010,32(9):70-72.

[7] 吴边,李斌,梁昌洪.一种新型 SRR 缺陷地面结构低通滤波器[J].电子与信息学报,2007,29(12):3020-3023.

[8] 夏祖学,杨羿华,梁尧.2.4 GH波段微带发夹型带通滤波器设计与馈电研究[J].西南科技大学学报,2013,28(4):81-84.

(责任编辑 胡亚敏)

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

国家自然科学基金资助项目(51477001)

宛新文(1967-)，男，安徽合肥人，安徽大学讲师； 李民权(1968-),男,安徽砀山人,博士,安徽大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.011

TN015

A

1003-5060(2017)01-0059-04