一種新穎的小型寬阻帶低通濾波器

(1.空軍工程大學 導彈學院，陜西 三原 713800；2.毫米波國家重點實驗室，南京 210096；3.桂林空軍學院，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[1]，研究人員就在尋找一些具有寬阻帶特性的結構。其中，文獻[2-5]分別提出通過串聯、級聯、并聯不同諧振頻率的缺陷地面結構(DGS)來獲得寬阻帶，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、級聯多個(≥3)不同諧振頻率的DGS，這樣勢必增加整個電路的尺寸，因此這種方法不利于推廣。文獻[6-7]提出一種多層微帶結構的DGS，但電路加工工藝很困難。文獻[8-10]提出了補償線和加窗函數漸變技術對濾波器進行優化設計，但其面積相對過大，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]。通過把頂部微帶線彎曲，其電路面積大大縮小，而對于濾波器的性能，可以通過補償線和加窗技術等方法使其有效地提升。從這種思想出發，本文通過把微帶線彎成C-型曲線設計了一種新穎的小型寬阻帶低通濾波器，其通帶內反射損耗的最大旁瓣幅度在-19.5 dB以下，通帶波紋系數為0.3 dB，阻帶寬度達到10.1 GHz，而其尺寸相對傳統的直線型低通濾波器而言降低了25.7%。

2 C-型缺陷地面結構

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構(Dumbbell-shape Defected Ground Structure, DB-DGS)，結構如圖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構，占用面積較大，所以不可取。通過彎曲微帶線，本文提出了一種新穎的微帶結構，其結構如圖1(b)所示。其中，標注的b、d和g是以原點O為圓心，以(R+w/2)為半徑的弧長。

(a)直線型DGS

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

本文應用微帶介質材料Rogers R04350(εr=3.48，h=0.8 mm)設計了諧振中心頻率在fr=8 GHz的直線型DGS和相對應的C-型DGS結構。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，使缺陷地面結構與微帶線一同彎曲，兩種結構的尺寸如表1所示。由此得出，直線型DGS結構電路尺寸為8.4 cm2，而C-型DGS結構電路尺寸為6.28 cm2，同比減小了25.7%。利用電磁場仿真軟件HFSS10.0對直線型DGS和C-型DGS進行仿真分析，其S參數的仿真結果如圖2所示。由圖2可知，C-型DGS與直線型DGS結構相比較，整體性能沒有大的變化，但電路的占用面積明顯減小，有利于結構的小型化設計。

表1 直線型與C-型結構參數值Table 1 The parameter of straight DGS and C-shape DGS

圖2 直線型與C-型結構的S參數仿真結果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結構設計了一種低通濾波器。為了降低通帶波紋，根據文獻[8-10]的思想，采用補償線和加窗函數漸變技術等方法優化濾波器的設計。所設計寬阻帶低通濾波器的結構如圖3所示。采用補償線來改善通帶反射損耗，采用高斯加窗函數來加權處理缺陷地面結構的尺寸大小，改善通帶波紋，同時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)中標注的b1、b2、D和g是以原點O為圓心，以(R+w/2)為半徑的弧長。

(a)三維視圖

(b)底視圖

(c)俯視圖

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

根據上述參數，對此結構進行了仿真和實物加工，實物模型如圖4所示。利用HP8720ET矢量網絡分析儀對上述電路進行測試，實測結果如圖5所示。與仿真結果比較，測試結果與仿真結果比較吻合。測試結果表明，通帶波紋系數為0.3 dB，通帶內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10.1 GHz，實現了寬阻帶。與已有文獻結果作對比，如表3所示。由表3可知，本文所提出的C-型DGS低通濾波器各項性能大大優于已有文獻結果。

(a)頂視圖

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

圖5 C-型DGS低通濾波器S參數仿真與測試結果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 論

針對電磁帶隙結構在實際應用中的小型化和寬阻帶問題，本文提出了一種新穎的C-型DGS低通濾波器。通過彎曲微帶線，縮減了低通濾波器尺寸。采用補償線和漸變技術對微帶線進行調整，使所提出的低通濾波器具有低插損，同時獲得寬阻帶。對提出的濾波器做了加工并進行了實物測量，結果表明，所設計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。相對于直線型結構而言，電路面積減小了25.7%。由于所提出結構具有低插入損耗、小尺寸和寬阻帶等優點，適合應用于常規平面電路。

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