【導(dǎo)讀】本文主要設(shè)計了一款由五個正六邊形缺陷地面結(jié)構(gòu)單元設(shè)計的微帶低通濾波器。這款濾波器架構(gòu)緊湊,具有低插損的優(yōu)點。文中還提出了原型等效電路,并通過S參數(shù)的仿真分析提取等效電路元件值。
缺陷接地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure,DGS)是微波領(lǐng)域新近發(fā)展的熱點之一,它由光子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG)發(fā)展而來。DGS通過在接地板上刻蝕缺陷圖案,改變接地板上屏蔽電流的分布,從而間接改變傳輸線的等效電感和等效電容,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)更加緊湊,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,通過改變地面缺陷單元的正六邊形的面積和狹槽的寬度,可以很容易控制等效電感和電容。從而調(diào)整其頻率響應(yīng)特性。本文通過對六邊形尺寸參數(shù)變化的研究,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中對等效電路的仿真結(jié)果與HFSS中的仿真結(jié)果很吻合。
正六邊形DGS低通濾波器
DGS及其等效電路
正六邊形DGS單元結(jié)構(gòu)如圖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連接。本文采用介電常數(shù)為3.2,厚度為0.787mm的基板。其50Ω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)在特定頻點上產(chǎn)生極點。其有耗等效電路是一個并聯(lián)諧振RLC電路。如圖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 以及電阻R 構(gòu)成。這些參數(shù)可以通過對該結(jié)構(gòu)進行EM仿真及以下公式提取出來
式中ω0是諧振角頻率;ωc代表3 dB截止角頻率;Z0指傳輸線的特征阻抗,這里Z0為50 Ω。
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中建模進行EM仿真,觀察其諧振頻率隨著六邊形的邊長的變化情況。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變化,從仿真的結(jié)果可以看出,由于DGS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加[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,如圖2所示。
圖2 正六邊形邊長對諧振頻率的影響
低通濾波器設(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情況。因此,在單個DGS單元上加上一個H形的并聯(lián)枝節(jié)來增加微帶線和正六邊形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。在其它尺寸不變的情況下,并聯(lián)枝節(jié)的長度t1從4 mm到10 mm逐漸增加,由仿真結(jié)果可以看出,隨著l的增加,等效電路的電容也隨之增加,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,如圖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,必須增加正六邊形DGS單元的數(shù)目,在這里設(shè)計的低通濾波器采用五個正六邊形DGS單元。其對稱結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,對應(yīng)的等效電路如圖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)都通過對單個單元進行分析而得到。它們的尺寸分別為: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是采用五個DGS單元的低通濾波器隨著并聯(lián)支節(jié)長度t3的變化的仿真結(jié)果。由于并聯(lián)支節(jié)長度增加使得圖5(b)所示的等效電容CS3也隨著增加。這樣使得帶外抑止也隨之增加,而且通帶到帶阻的衰減也變得更加陡峭。同時我們也注意到,其帶內(nèi)特性如插入損耗和回波損耗卻都有所增加。因此在設(shè)計的過程之中必須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變化的仿真結(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)果如圖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 kΩ,R2 = 2.39 kΩ,R3 = 1.15 kΩ,CS1 = 1.238 pF,CS2 = 0.927 pF,CS3 = 0.303 pF,LS1 = 1.01 nH,LS2 = 0.802 nH,LS3 = 1.128 nH。為了驗證這個等效電路的正確性,通過ADS對其等效電路進行了仿真。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。使用H形并聯(lián)枝節(jié)的DGS結(jié)構(gòu)與普通的DGS結(jié)構(gòu)相比在阻帶內(nèi)能獲得更高的衰減和諧波抑止,同時實現(xiàn)陡峭的下降特性。
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