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正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2015-01-18 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】本文主要設(shè)計(jì)了一款由五個(gè)正六邊形缺陷地面結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)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(diǎn)。文中還提出了原型等效電路,并通過(guò)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(diǎn)之一,它由光子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG)發(fā)展而來(lái)。DGS通過(guò)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(wú)用信號(hào)。該技術(shù)現(xiàn)已被應(yīng)用于濾波器設(shè)計(jì)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(jì)的這個(gè)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(guò)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(guò)對(duì)六邊形尺寸參數(shù)變化的研究,提出了對(duì)應(yīng)的低通濾波器的等效電路,設(shè)計(jì)了一個(gè)基于五個(gè)正六邊形DGS的濾波器,在ADS中對(duì)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(gè)對(duì)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(zhǎng)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(diǎn)上產(chǎn)生極點(diǎn)。其有耗等效電路是一個(gè)并聯(lián)諧振RLC電路。如圖1(b)所示,該RLC電路由一個(gè)等效并聯(lián)電容C,一個(gè)并聯(lián)電感L 以及電阻R 構(gòu)成。這些參數(shù)可以通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行EM仿真及以下公式提取出來(lái)

正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
 
DGS及其等效電路

式中ω0是諧振角頻率;ωc代表3 dB截止角頻率;Z0指?jìng)鬏斁€的特征阻抗,這里Z0為50 Ω。

正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖1(a)正六邊形的DGS單元
正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖1(b)等效電路
 
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對(duì)圖1(a)的六邊形DGS單元在HFSS中建模進(jìn)行EM仿真,觀察其諧振頻率隨著六邊形的邊長(zhǎng)的變化情況。其中,蝕刻狹槽的長(zhǎng)度為s=12 mm,寬度g= 0.2 mm保持不變,而六邊形的邊長(zhǎng)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(zhǎng)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。

正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖2 正六邊形邊長(zhǎng)對(duì)諧振頻率的影響

低通濾波器設(shè)計(jì)

如上面的分析可以看出,正六邊形DGS結(jié)構(gòu)可以用來(lái)設(shè)計(jì)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(méi)有足夠的抑止,且存在著截止特性緩慢的情況。因此,在單個(gè)DGS單元上加上一個(gè)H形的并聯(lián)枝節(jié)來(lái)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。

正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖3(a)H形支節(jié)的DGS單元
正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
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(zhǎng)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(méi)有平移,只是衰減變得更深。并聯(lián)支節(jié)的長(zhǎng)度t1為10 mm時(shí)相對(duì)于4 mm的帶外抑止提高了差不多10 dB,如圖4所示。

正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖4 H型開(kāi)槽長(zhǎng)度對(duì)諧振頻率的影響
 
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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(jì)的低通濾波器采用五個(gè)正六邊形DGS單元。其對(duì)稱結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,對(duì)應(yīng)的等效電路如圖5(b)所示。

正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖5 (a)具有五個(gè)DGS單元的LPF
正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖5 (b)等效電路
 
除了t3之外,其它的參數(shù)都通過(guò)對(duì)單個(gè)單元進(jìn)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(gè)DGS單元的低通濾波器隨著并聯(lián)支節(jié)長(zhǎng)度t3的變化的仿真結(jié)果。由于并聯(lián)支節(jié)長(zhǎng)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(shí)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(jì)的過(guò)程之中必須兼顧通帶和阻帶這兩方面的特性。

正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
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(guò)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(shí),其仿真結(jié)果如圖7所示。

正六邊形微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖7 LPF的電磁仿真與等效電路仿真結(jié)果比較
 
對(duì)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(yàn)證這個(gè)等效電路的正確性,通過(guò)ADS對(duì)其等效電路進(jìn)行了仿真。從仿真結(jié)果比較可以看出,兩者吻合較好。對(duì)于低通濾波器的頻率特性,對(duì)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(gè)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(shí)實(shí)現(xiàn)陡峭的下降特性。

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