一種小型DMS低通濾波器詳細解析

引言

近年來出現(xiàn)的缺陷微帶結構（Defected Microstrip Structure，DMS，過去曾稱為EBG）憑借阻帶寬、體積小的優(yōu)勢受到國內外專家學者的高度關注，它是直接在微帶線上蝕刻出高電感高電容，因而易于加工實現(xiàn)。利用其高電感高電容低通帶阻特性設計出的低通濾波器可以用于功率放大器［1］、混頻器［2，3］等微波有源器件的諧波抑制。

在L、S波段，國內外專家和學者對DMS結構在低介電常數(shù)基板材料上做了大量的研究工作，在更高頻段，高介電常數(shù)基板上的有關報道較少。為了實現(xiàn)將DMS的寬阻帶，小尺寸特性應用于高頻段，高介電常數(shù)材料，有必要對其進行做新的探討。

1、DMS結構特性

圖1、DMS結構T形單元

DMS結構單元如圖1，微帶介質為三層Ferro-A6M生瓷帶材料，每層生瓷帶燒結后厚度為0.096mm，三層厚0.288mm，該材料相對介電常數(shù)εr=5.9，損耗角正切tanδ=0.0015。兩端50Ω微帶線寬0.43mm，蝕刻DMS處低阻抗微帶線用于補償DMS高阻抗特性，以實現(xiàn)濾波器50Ω匹配阻抗，低阻抗補償段選用34Ω微帶線寬0.82mm。利用HFSS（High Frequency Sructrue Simulator）仿真分析，T形單元“一橫”縫隙寬度對傳輸性能的影響不大，我們變化T形單元“一橫”縫隙的長度，從仿真分析圖2得出，DMS T形單元有帶阻低通特性，諧振頻率隨T形“一橫”縫隙長度增加而減小。諧振頻率隨T形“一豎”長度增加而減小，如圖3。圖4表明，T形“一豎”寬度增加，諧振頻率增大。

圖2、DMS T形單元傳輸系數(shù)隨“一橫”長度L變化特性

圖3、DMS T形單元傳輸系數(shù)隨“一豎”長度L1變化特性

圖4、DMS T形單元傳輸系數(shù)隨“一豎”寬度G變化特性

圖5、DMS結構T形單元LC等效電路

由仿真結果可以看出T形單元具有低通帶阻，單極點諧振特性，相關文獻［4-7］對其等效電路做了很有價值的工作，單個T形單元可等效為L，C并聯(lián)的帶阻濾波器，由前面EM電磁仿真得到的傳輸系數(shù)S21可提取出：

（1）

（2）

式中ωc為3dB截止頻率，ω0為諧振頻率，Z0為濾波器的特性阻抗。

用式（1）（2）提取出L，C，在ADS軟件中分析得到等效電路傳輸系數(shù)，圖6為單個T形單元電磁仿真與等效電路分析的傳輸系數(shù)比較，可以看出，該等效的整體幅頻響應與電磁仿真結果吻合良好。

圖6、EM仿真與等效電路傳輸系數(shù)（圓為電路S21）

該等效模型也從物理意義上很好的解釋了圖2到圖4的變化特性，T形單元“一橫”縫隙上方細導線表現(xiàn)的主要特性是等效電路中的電感L，T形單元“一豎”縫隙表現(xiàn)的主要特性是等效電路中的電容C。T形單元一橫”縫隙長度增加，電感值L增加，故諧振頻率下降；T形單元“一豎”縫隙長度增加，相當于等效電路中電容值C增加，故也會導致諧振頻率下降；T形單元“一豎”縫隙寬度增加，電容值減小，故諧振頻率升高。

2、DMS低通濾波器設計

為了擴展阻帶寬度，級聯(lián)兩個T形單元圖7，通過調整單個T形單元的結構參數(shù)以及它們之間的距離獲得如圖 8散射參數(shù)。由仿真曲線可以看出通帶插損0.2dB，回波損耗大于19dB，對本振二次諧波19.6GHz抑制20dB，抑制大于30dB的頻率范圍為22GHz~30GHz。

圖7、兩個DMS T形單元級聯(lián)

圖8、兩個DMS T形單元散射參數(shù)

圖9、五個DMS T形單元LPF

圖10、HL高低（HL）阻抗線LPF版圖

為了進一步增大阻帶抑制和阻帶帶寬，將T形單元增加到五個組成本振端LPF （Low Pass Filter），結構如圖 9，通過參數(shù)優(yōu)化阻帶增加了6GHz，結果如圖 10，對二次本振頻率，三次本振頻率及20GHz~36GHz的混頻諧波雜波達到30dB的抑制，通帶插損為0.3dB，回波損耗大于19dB，尺寸僅為5.7mm×1.7mm。

同時，為了對比說明該濾波器的性能與尺寸，我們在電路中設計了一款7階切比雪夫高低阻抗線低通濾波器，如圖10，其尺寸為8.4mm×3.4mm，其性能參數(shù)如圖11所示，可見DMS低通濾波器體積較高低阻抗LPF減小66%，大于30dB抑制阻帶帶寬增加約5GHz。

圖11、DMS T形單元LPF與HL高低（HL）阻抗線LPF性能對比

3、結論

從簡單T形DMS單元入手，給出了其物理上的定性解釋和尺寸變化對頻率響應的影響。最后基于LTCC基板，通過逐步增加T形單元設計了一款截止頻率為13GHz的低通濾波器。與高低阻抗線LPF比較，體積減小66%，阻帶增加5GHz。