基于正六邊形DGS單元的微帶低通濾波器設(shè)計

1、基于正六邊形dgs單元的微帶低通濾波器設(shè)計 本文采納正六邊形缺陷地面結(jié)構(gòu)單元設(shè)計了一款新穎的微帶低通,并提出了該濾波器的原型rlc等效。通過對其s參數(shù)的分析提取出了相應(yīng)的等效電路元件值。設(shè)計了一款由五個正六邊形缺陷地面結(jié)構(gòu)單元疊加的,該濾波器具有結(jié)構(gòu)緊湊,挑選性較高和低插損等優(yōu)點(diǎn)。3 db截止頻率為4.42 ghz,在5.5 ghz到10 ghz的頻率范圍內(nèi)可得到低于-40 db以下的帶外抑止。濾波器的電磁仿真和其等效電路結(jié)果吻合。1 引言缺陷接地結(jié)構(gòu)(defected ground structure，dgs)是微波領(lǐng)域新近進(jìn)展的熱點(diǎn)之一，它由光子帶隙結(jié)構(gòu)(pbg)進(jìn)展而來。dgs通過在接地

2、板上刻蝕缺陷圖案，轉(zhuǎn)變接地板上屏蔽的分布，從而間接轉(zhuǎn)變傳輸線的等效和等效，獲得慢波特性和禁帶特性。慢波特性可以讓微波傳輸線結(jié)構(gòu)越發(fā)緊湊，而禁帶特性可以抑制諧波雜波等無用信號。該技術(shù)現(xiàn)已被應(yīng)用于濾波器設(shè)計中，可使濾波器抑制諧波的能力更為突出。本文中提出了一種正六邊形的地面缺陷結(jié)構(gòu)作為dgs基本單元。設(shè)計的這個dgs單元結(jié)構(gòu)，其單元等效電路可由rlc并聯(lián)諧振單元表示，通過轉(zhuǎn)變地面缺陷單元的正六邊形的面積和狹槽的寬度，可以很簡單控制等效電感和電容。從而調(diào)節(jié)其頻率響應(yīng)特性。本文通過對六邊形尺寸參數(shù)變幻的討論，提出了對應(yīng)的低通濾波器的等效電路，設(shè)計了一個基于五個正六邊形dgs的濾波器，在ads中對等效電

3、路的仿真結(jié)果與hfss中的仿真結(jié)果很吻合。2 正六邊形dgs低通濾波器2.1 dgs及其等效電路正六邊形dgs單元結(jié)構(gòu)1(a)所示。在微帶線的下方接地板上蝕刻出2個對稱的正六邊形并由一狹槽銜接。本文采納介電常數(shù)為3.2，厚度為0.787mm的基板。其50微帶線長度d為1.88 mm,微帶線兩旁蝕刻區(qū)域形成的等效電感l(wèi)和中間的狹槽形成的等效電容c組成lc并聯(lián)的諧振電路的頻率響應(yīng)在特定頻點(diǎn)上產(chǎn)生極點(diǎn)。其有耗等效電路是一個并聯(lián)諧振rlc電路。1(b)所示，該rlc電路由一個等效并聯(lián)電容c，一個并聯(lián)電感l(wèi) 以及r 構(gòu)成。這些參數(shù)可以通過對該結(jié)構(gòu)舉行em仿真及以下公式提取出來式中0是諧振角頻率;c代表3

4、 db截止角頻率;z0指傳輸線的特征阻抗，這里z0為50 。圖1(a)正六邊形的dgs單元圖1(b)等效電路對圖1(a)的六邊形dgs單元在hfss中建模舉行em仿真，觀看其諧振頻率隨著六邊形的邊長的變幻狀況。其中，蝕刻狹槽的長度為s=12 mm,寬度g= 0.2 mm保持不變，而六邊形的邊長從1.0 mm到2.5 mm變幻，從仿真的結(jié)果可以看出，因?yàn)閐gs圖形的中間狹槽長度寬度不變，等效電容基本不變，而其等效電感隨正六邊形的面積增大而增強(qiáng)5。由可得3 db截止頻率降低，lc諧振電路的諧振頻率也相應(yīng)的從6.32 ghz降低為4.43 ghz，2所示。圖2 正六邊形邊長對諧振頻率的影響2.2 低

5、通濾波器設(shè)計如上面的分析可以看出，正六邊形dgs結(jié)構(gòu)可以用來設(shè)計低通濾波器或抑止其寄生的旁帶。但是該結(jié)構(gòu)也存在一些缺陷，如在高頻范圍內(nèi)沒有足夠的抑止，且存在著截止特性緩慢的狀況。因此，在單個dgs單元上加上一個h形的并聯(lián)枝節(jié)來增強(qiáng)微帶線和正六邊形dgs單元之間的耦合電容。這樣不僅可以最大限度地減小lpf的尺寸，而且能夠提高lpf的阻帶特性。圖3(a)是帶h形并聯(lián)支節(jié)的dgs單元，(b)是其等效電路。圖3(a)h形支節(jié)的dgs單元圖3(b)等效電路其中，l1 = 2.5 mm,w = 1 mm,a1 = 1.2 mm,d = 1.88 mm。在其它尺寸不變的狀況下，并聯(lián)枝節(jié)的長度t1從4 mm到

6、10 mm逐漸增強(qiáng)，由仿真結(jié)果可以看出，隨著l的增強(qiáng)，等效電路的電容也隨之增強(qiáng)，從而帶外的抑止也隨著提高。而在2.41 ghz的3 db截止頻率并沒有平移，只是衰減變得更深。并聯(lián)支節(jié)的長度t1為10 mm時相對于4 mm的帶外抑止提高了差不多10 db，4所示。圖4 h型開槽長度對諧振頻率的影響為了獲得性能良好的頻率響應(yīng)特性，并提高其帶外抑止，必需增強(qiáng)正六邊形dgs單元的數(shù)目，在這里設(shè)計的低通濾波器采納五個正六邊形dgs單元。其對稱結(jié)構(gòu)5(a)所示，對應(yīng)的等效電路5(b)所示。圖5 (a)具有五個dgs單元的lpf圖5 (b)等效電路除了t3之外，其它的參數(shù)都通過對單個單元舉行分析而得到。它們

7、的尺寸分離為：w = 1 mm，g = 0.2 mm，a1 = 1.15 mm，a2 = 1.05 mm，a3 = 0.95 mm，s1 = 11 mm,s2 = 7.5 mm，s3 = 4 mm，l1 = 2.5 mm，l2 = 7.5 mm，l3 = 12.5 mm，m2 = 5.1 mm，m3 = 10.1 mm，t1 = 11 mm,t2 = 7.5 mm。圖6是采納五個dgs單元的低通濾波器隨著并聯(lián)支節(jié)長度t3的變幻的仿真結(jié)果。因?yàn)椴⒙?lián)支節(jié)長度增強(qiáng)使得圖5(b)所示的等效電容cs3也隨著增強(qiáng)。這樣使得帶外抑止也隨之增強(qiáng)，而且通帶到帶阻的衰減也變得越發(fā)陡峭。同時我們也注重到，其帶內(nèi)特性

8、如插入損耗和回波損耗卻都有所增強(qiáng)。因此在設(shè)計的過程之中必需兼顧通帶和阻帶這兩方面的特性。圖6 lpf頻率響應(yīng)隨t3從2mm到6mm變幻的仿真結(jié)果的比較通過em仿真和等效電路的仿真可以得到優(yōu)化后的低通濾波器特性，當(dāng)t3= 3 mm時，其仿真結(jié)果7所示。圖7 lpf的電磁仿真與等效電路仿真結(jié)果比較對應(yīng)的其等效網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為：c1 = 0.627 pf，c2 = 0.109 pf，c3 = 0.067 pf，l1 = 1.25 nh，l2 = 1.608 nh，l3 = 0.515 nh,r1 = 8.87 k，r2 = 2.39 k，r3 = 1.15 k，cs1 = 1.238 pf，cs2 =

9、0.927 pf，cs3 = 0.303 pf，ls1 = 1.01 nh，ls2 = 0.802 nh，ls3 = 1.128 nh。為了驗(yàn)證這個等效電路的正確性，通過ads對其等效電路舉行了仿真。從仿真結(jié)果比較可以看出，兩者吻合較好。對于低通濾波器的頻率特性，對應(yīng)的3 db截止頻率為4.42 ghz,在通帶范圍內(nèi)其s11低于-21 db.而在阻帶，從5.5 ghz到10 ghz這個很寬的頻帶范圍內(nèi)可以得到低于-40 db的帶外抑止。用法h形并聯(lián)枝節(jié)的dgs結(jié)構(gòu)與一般的dgs結(jié)構(gòu)相比在阻帶內(nèi)能獲得更高的衰減和睦波抑止，同時實(shí)現(xiàn)陡峭的下降特性。3 結(jié)論文章提出了一種基于正六邊形的dgs單元的低通濾波器，并且通過加入h形的并聯(lián)枝節(jié)來增強(qiáng)它的等效電容從而提高它的帶外抑止。提出了該dgs低通濾波器的等效電路模型。通過對dgs單元的尺寸參數(shù)分析得到該低通濾波器的等效電路元件值。設(shè)計了一個基于五個正六邊形dgs單元的