新型Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)低通濾波器設計

李東偉,李天鵬,萬鵬飛

(空軍工程大學 導彈學院,陜西 三原 713800)

1 引 言

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)的飛速發(fā)展,無線通信已經(jīng)成為21世紀最為熱門的技術(shù)之一。作為無線通信的咽喉,濾波器在無線收發(fā)器中能夠?qū)崿F(xiàn)鏡像消除、寄生濾波和信道選擇等功能,在接收總體系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用,因此,設計出一個高性能、低成本的低通濾波器具有十分重要的意義。

缺陷地面結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure,DGS)自1999年提出以來,由于其禁帶效性、慢波效應和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,在濾波器的設計與研究上成為了一大熱點。文獻[1]提出一種螺旋形DGS并設計了一款螺旋形低通濾波器,文獻[2]和[3]分別利用一種分形DGS實現(xiàn)了低通濾波,文獻[4]則報道了一種狹縫型DGS。然而,目前大部分研究都集中在對禁帶效應和慢波效應的探索上,很少涉及DGS的諧振特性[4,5]的研究。

本文基于分形理論和缺陷地面結(jié)構(gòu)提出了一種Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)(Koch-shaped Defected Ground Structure,KDGS),該結(jié)構(gòu)是通過在微帶線的金屬接地板上刻蝕Koch型槽的結(jié)構(gòu)實現(xiàn),從而在特定頻率產(chǎn)生諧振的效果。基于此諧振特性,設計了兩款基于Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)的低通濾波器,仿真結(jié)果表明:所設計的低通濾波器不僅濾波性能良好,而且具有設計方法簡單、體積小以及成本低等優(yōu)點。

2 Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)

圖1為Koch曲線生成圖,取一條長為1的直線段(Koch曲線的初始元,如圖1(a)所示),將其三等分,保留兩端線段,將中間的一段改換成夾角為60°的兩條長度為1/3的等長直線段,如圖1(b)所示;再將4條直線段分別三等分并將各直線段中間的一段改換成夾角為60°的兩條長度為1/9的等長直線段,如圖1(c)所示。重復上述操作以至無窮,便可得到理想的Koch曲線。

圖1 Koch曲線生成示意圖Fig.1 Koch curve elements

圖2為本文所提出的新型Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)示意圖,圖中灰色部分為接地板,白色部分為接地板上的缺蝕結(jié)構(gòu),由4條閉合的Koch曲線組成。該結(jié)構(gòu)通過擾亂接地板上的電流分布達到諧振的效果,諧振頻率可以通過Ansoft HFSS的本征模求解得到。采用厚度為0.254mm、介電常數(shù)為2.2的RT/Duroid5880介質(zhì)基片仿真,可得缺蝕線段長度為12.5mm時諧振頻率為20.5GHz。

圖2 分形Koch缺陷地面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Fractal Koch-shaped defected ground structure

3 基于KDGS低通濾波器的設計

由傳輸線理論可知,小于四分之一引導波長λg/4的開路短截線表現(xiàn)為容性,可等效為并聯(lián)電容;大于四分之一引導波長λg/4的開路長截線表現(xiàn)為感性,可等效為并聯(lián)電感[6]。結(jié)合KDGS,本文設計了一款三極點低通濾波器和一款五極點低通濾波器,分別如圖3和圖4所示,圖中KDGS線段總長37.12mm,線寬0.3mm,其它結(jié)構(gòu)尺寸參照圖中具體標示。圖中微帶線的尺寸由商業(yè)軟件Ansoft Designer優(yōu)化而得。

圖3 三極點KDGS低通濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Three-pole low pass filter based on Koch-shaped defected ground structure

圖4 五極點KDGS低通濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Five-pole low pass filter based on Koch-shaped defected ground structure

濾波器的設計指標是,截止頻率 fc=3GHz;10dB阻帶寬度:絕對帶寬大于2倍通帶寬度;通帶衰減等于或小于0.5 dB;阻帶衰減在4 GHz處至少有20dB衰減;端接條件:兩輸出端接50Ψ微帶線;微帶材料參數(shù):介電常數(shù) εr=2.2,介質(zhì)厚度 h=0.79mm,損耗角正切 tan δε<0.001。

為檢驗設計效果和驗證設計的準確性,對上述設計的兩種新型濾波器使用Ansoft Designer進行電磁仿真和優(yōu)化,仿真采用厚度為0.79mm、介電常數(shù)為2.2的RT/Duroid5880介質(zhì)基片,仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 三極點低通濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of S parameter of three-pole low pass filter based on KDGS

圖6 五極點低通濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of S parameter of five-pole low pass filter based on KDGS

一般低通濾波器的參數(shù)指標主要包括通帶內(nèi)插入損耗、阻帶寬度(10dB或20dB,本文采用20dB的阻帶帶寬)、選擇特性 ξ等,其中選擇特性ξ由公式(1)計算[7]:

式中,a1表示3 dB插損,a2表示20dB插損,f1表示3 dB插入損耗對應的頻點,f2表示20dB插入損耗對應的頻點,ξ的單位為dB/GHz。

由圖5和圖6可以看出,所設計的兩種濾波器性能均很好,證明了所提設計方法的有效性。五極點低通濾波器性能略優(yōu)于三極點低通濾波器,五極點濾波器截止頻率為3.08 GHz,在通帶內(nèi)插入損耗為0.10dB,回波損耗最大旁瓣優(yōu)于15 dB,說明具有良好的通帶性能;阻帶衰減大于10dB的阻帶帶寬為12.25GHz(3.08～15.5 GHz),相當于3.8倍的通帶帶寬,說明具有超寬的阻帶帶寬;通帶與阻帶之間的過渡帶僅為0.45 GHz(3.25～3.7 GHz),其選擇特性達到了37.80dB/GHz,說明具有非常好的矩形度。表1為本文所設計的五極點低通濾波器與其它文獻提出的濾波器的性能比較結(jié)果。

表1 低通濾波器性能的比較Table 1 Capability comparison between low pass filters

4 結(jié) 論

本文基于分形曲線和缺陷地面結(jié)構(gòu)提出了一種Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu),并將其應用到濾波器設計中,設計了兩款基于Koch型缺陷地面結(jié)構(gòu)的低通濾波器。結(jié)果表明:所設計的濾波器性能良好,設計方法簡單,體積小且成本低。該新型Koch缺陷地面結(jié)構(gòu)和濾波器設計方法在無線通信領域具有一定應用價值。

[1]Kim C S,Lim J S,Nam S,et al.Equivalent circuit modeling of spiral defected ground structure for microstrip line[J].Electronics Letters,2002,38(19):1109-1120.

[2]LiuH,LiZ F,SunX W.A novelfractal defected ground structure and its application to the low-pass filter[J].Microwave andOptical Technology Letters,2003,39(1):453-456.

[3]LiuH,LiZ F,Sun XW,et al.An improved 1-D periodic defected ground structure for microstrip line[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2004,14(1):180-182.

[4]Weng L H,Guo Y C,Shi X W,et al.An overview on defected ground structure[J].Progress In Electro magnetics Research B,2008,7(1):173-189.

[5]陳文靈.分形幾何在微波工程中的應用研究[D].西安:空軍工程大學,2008.CHEN Wen-ling.Investigations into the applica-tions of fractal geometry in microwave engineering[D].Xi′an:Air Force Engineering University,2008.(in Chinese)

[6]張勝.微型平面微波濾波器的機構(gòu)和性能研究[D].上海:上海大學,2006.ZHANG Sheng.Study on Structure and Performance of Miniature Planar Microwave Filters[D].Shanghai:Shanghai Uni-versity,2006.(in Chinese)

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