|
1 引言 眾所周知, DGS是一種典型的EBG結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以通過一個或者多個單元結(jié)構(gòu)在某些頻率段產(chǎn)生能帶隙特性。由于DGS具有本征的諧振和帶阻特性, 它被廣泛應(yīng)用于濾波器的電路設(shè)計中來改善通帶和阻帶的特性。此外, 應(yīng)用接地板上的蝕刻縫隙結(jié)構(gòu),可以有選擇地產(chǎn)生阻帶特性。選擇合適的縫隙尺寸, 可以很容易地控制隔離度和阻帶寬度。通常, 由開路線或者扇形線構(gòu)成的濾波器結(jié)構(gòu)能夠在阻帶提供一個傳輸零點(diǎn)并且具有良好的阻帶特性。基于這些考慮，為了獲得具有寬阻帶特性的DGS低通濾波器，本文設(shè)計了一種由三個U型槽緊密耦合的新型DGS低通濾波器, 并且采用開路線和扇形支節(jié)來增加傳輸零點(diǎn)。實(shí)際樣品測得的阻帶相對帶寬為105% (雜波抑制大于25dB)，表明該結(jié)構(gòu)具有很好的諧波抑制能力，通帶內(nèi)的回波損耗小于0.25dB，與仿真結(jié)果吻合很好。 2 U-型DGS低通濾波器的設(shè)計與分析 2.1 U-型DGS低通濾波器的設(shè)計 圖1(a)所示為U-型DGS低通濾波器的結(jié)構(gòu)圖。上層結(jié)構(gòu)由一個含有開路線和扇形線50-Ω的微帶線組成，在介質(zhì)板的底層蝕刻出一對緊耦合對稱的單元，每個單元由3個U-型槽結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 圖1(b)為低通濾波器的上層結(jié)構(gòu)。由開路線的結(jié)構(gòu)特性，可以根據(jù)開路線的長度把傳輸零點(diǎn)調(diào)節(jié)到所需要的頻率點(diǎn);帶內(nèi)的阻抗匹配可以通過調(diào)節(jié)扇形線的尺寸來實(shí)現(xiàn)，尺寸參數(shù)包括它的半徑、角度和圓心位置。不僅如此，阻帶特性也可以通過改變扇形線尺寸來進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)低于良好的阻帶諧波抑制特性，經(jīng)過計算分析和優(yōu)化設(shè)計，選取開路線的長度L2 = 7mm，此時的傳輸線零點(diǎn)位置正好在7.2GHz處。 圖1(c)為蝕刻在介質(zhì)板底端的兩個U-型DGS結(jié)構(gòu)單元，每個單元都由三個U-型槽構(gòu)成，它們具有相同的寬度和間隔，但長度不同。值得指出的是，這種相同寬度和間隔的槽型結(jié)構(gòu)具有設(shè)計和調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)，可以很方便地應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計之中。 (a) (b) (c) 圖1 (a) U-型DGS低通濾波器結(jié)構(gòu)圖; (b) 低通濾波器結(jié)構(gòu)頂視圖; (c) 低通濾波器底面結(jié)構(gòu) 2.2 U-型DGS低通濾波器的性能分析 我們采用HFSS進(jìn)行DGS低通濾波器的設(shè)計仿真。該低通濾波器設(shè)計在厚度為0.508mm的介質(zhì)板上，其介電常數(shù)為er = 2.65。在確定最后的優(yōu)化尺寸之前，我們研究分析了一些結(jié)構(gòu)尺寸對濾波器性能的影響。圖2(a)表示的是兩U-型槽單元間距L1對低通濾波器性能的影響。我們選擇了三種單元間距，分別為1.5mm, 2.5mm和3.5mm, 并給出了三種單元間距情況下的特性仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果中可以看出，在一定的尺寸范圍內(nèi)L1的變化對低通濾波器性能影響不大, 低通濾波器主要的性能還是由U-型槽單元自身的諧振特性來決定的。 另外，我們還研究了扇形支節(jié)的半徑對該低通濾波器的性能的影響。圖2(b)給出了三種半徑值時的仿真特性，分別為6.5mm, 8mm和9.5mm。半徑R的改變主要影響通帶內(nèi)的阻抗匹配，對阻帶內(nèi)性能也有一定的影響。仿真結(jié)果表明, R在8mm附近時阻抗匹配較好，濾波器的綜合性能較好。 圖2(c)為扇形角度對濾波器性能的影響。顯然，角度的變化會引起扇形支節(jié)阻抗發(fā)生較大的變化，雖然角度越大阻帶內(nèi)的特性越好，但是通帶內(nèi)反射在1.5GHz ~2GHz內(nèi)則較大， 在30°左右通帶和阻帶的綜合特性較好。 通過上述分析，并經(jīng)過軟件優(yōu)化，最終確定的尺寸如下：L1 = 2mm，開路線長L2 = 7mm, L3 = 0.65mm, L4 = 8.8mm, L5 = 8.55mm, R = 8mm, 扇形支節(jié)的角度 arc = 25°, 50歐姆微帶線的寬度W1 = 1.37mm, W2 = 0.9mm, g1 = 0.7mm, g2 = 0.35mm. (a) (b) (c) 圖2 (a)兩U-型槽單元間距L1對低通濾波器性能的影響; (b)扇形線半徑R對低通濾波器性能的影響; (c)扇形線角度arc對低通濾波器性能的影響 用HFSS仿真的濾波器特性如圖3的虛線所示，不難看出，在阻帶有四個傳輸零點(diǎn)，分別為2.6GHz, 4.7GHz, 5.7GHz 和 7.2GHz,大致對應(yīng)三個U-型槽和開路線的諧振頻率點(diǎn)。對于外側(cè)的U-型槽，由于緊鄰開路線和扇形線結(jié)構(gòu)，因而產(chǎn)生了額外的容性加載,所以外側(cè)U-型槽的諧振點(diǎn)要比理論計算的結(jié)果偏低一些。 圖3 U-型DGS低通濾波器仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論 在上述設(shè)計分析的基礎(chǔ)上，我們加工了一個實(shí)際的DGS低通濾波器，如圖4所示。采用的介質(zhì)板厚度為0.508mm, 其介電常數(shù)為er = 2.65。測試結(jié)果也一并畫在圖3中，如實(shí)線顯示。顯然，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測試結(jié)果吻合較好。由測試結(jié)果和仿真結(jié)果，我們都可以看到，這種低通濾波器具有良好的通帶特性，其帶內(nèi)插入損耗小于0.25dB，回波損耗小于-20 dB，表明了良好的通帶阻抗匹配特性。另外，該DGS低通濾波器具有很寬的阻帶，帶外衰減大于25dB的阻帶相對帶寬約為105% (2.6GHz ~8.4GHz)。不過，由于加工精度的影響，測試的零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置略有偏移，小于0.2GHz。 (a) (b) 圖4 (a) U-型DGS低通濾波器頂視圖照片; (b) U-型DGS低通濾波器底視圖照片 4 結(jié)論 本文設(shè)計和討論了一種新型的U-型DGS低通濾波器。采用3個U型槽組成的DGS單元結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生良好的阻帶特性，而引入的兩個開路線結(jié)構(gòu)又增加了阻帶傳輸零點(diǎn)的個數(shù)，因此設(shè)計出的低通濾波器具有良好的通帶和阻帶特性。這種具有相同寬度和間隔的U-型槽DGS結(jié)構(gòu)具有設(shè)計和調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)，可以比較靈活地應(yīng)用到其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。仿真分析和實(shí)驗(yàn)測試都驗(yàn)證了這種低通濾波器優(yōu)良的性能及其可行性。 |
