U型DGS低通濾波器詳解

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并且具有良好的阻帶特性?；谶@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。實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調(diào)節(jié)到所需要的頻率點；帶內(nèi)的阻抗匹配可以通過調(diào)節(jié)扇形線的尺寸來實現(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，可以很方便地應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計之中。
　　
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　　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。