基于DGS對(duì)稱(chēng)開(kāi)口諧振環(huán)的低通濾波器設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　DGS是指在微帶線等傳輸線的金屬地平面上蝕刻周期性或非周期性的各種柵格的平面結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變地板電流分布的從而改變傳輸線的傳輸特性。DGS自1999年J.I.Park等學(xué)者在光子帶隙結(jié)構(gòu)(Photonic band-gap, PBG)的基礎(chǔ)上提出后，已經(jīng)被應(yīng)用于濾波器和功率放大器等射頻器件設(shè)計(jì)。近年來(lái)DGS在微帶電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于仿真和實(shí)際加工。其次，具有足夠?qū)挼淖鑾匦院吐ㄐ?yīng)，在放大器設(shè)計(jì)中可以用來(lái)抑制二次甚至高次諧波，同時(shí)還可以減小電路尺寸。第三，插入損耗小。許多濾波器采用DGS可以在特定的通帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較小的插損。

　　DGS與微帶線結(jié)合，通過(guò)地板的刻蝕一定的幾何結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生諧振特性，其中DGS單元的諧振頻率可以通過(guò)改變幾何結(jié)構(gòu)的形狀和大小來(lái)控制，傳統(tǒng)的DGS諧振器有啞鈴狀、三角形、圓形、L形和開(kāi)口諧振環(huán)等不同結(jié)構(gòu)。但是以上結(jié)構(gòu)都存在一定的問(wèn)題，如阻帶寬度較低，只有一個(gè)傳輸零點(diǎn)，并且需要外加并聯(lián)微帶枝節(jié)改善帶外特性。本文利用SSRR的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了三種具有不同單元數(shù)的低通濾波器，對(duì)于最終優(yōu)化的低通濾波器截至頻率為4.98 GHz，阻帶在5.02 GHz~10 GHz范圍內(nèi)帶外抑制低于-31 dB。

　　2 SSRR低通濾波器設(shè)計(jì)

　　2.1 SSRR特性與等效電路

　　圖1(a)給出了SSRR的結(jié)構(gòu)及其等效電路模型。如圖所示，與傳統(tǒng)開(kāi)口諧振環(huán)相比，該諧振單元由內(nèi)外兩個(gè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)口的分裂圓環(huán)組成，并且內(nèi)環(huán)中間有一條連接上下兩個(gè)半圓的縫隙。而傳統(tǒng)的開(kāi)口諧振環(huán)的內(nèi)外環(huán)只有一個(gè)開(kāi)口，內(nèi)外環(huán)分離并且內(nèi)環(huán)沒(méi)有連接。該SSRR等效電路如圖1(b)所示，兩個(gè)由L1和C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振單元是由SSRR的外環(huán)的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)半圓所產(chǎn)生，由L2 和C2組成的諧振單元是由內(nèi)環(huán)所產(chǎn)生的，而內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的相互耦合則由Cp表示。

　　圖1 SSRR單元結(jié)構(gòu)及其等效電路模型

　　圖2給出了SSRR單元的電磁仿真和等效電路仿真結(jié)果。當(dāng)SSRR的單元尺寸為：R1 = 5mm，R2 = 3.5 mm，r = 1mm，d = 0.5mm，g = 0.5mm，w = 1.88mm時(shí)，其中本文所采用的仿真參數(shù)w為50Ω微帶傳輸線特性阻抗寬度，介質(zhì)板的介電常數(shù)εr=3.48，介質(zhì)板厚度為0.787 mm，利用Ansoft HFSS得到SSRR的仿真結(jié)果，可見(jiàn)具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，由外環(huán)產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)為f1 = 5.13GHz，由內(nèi)環(huán)產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)為f2 = 4.48 GHz。通過(guò)電磁仿真所得到的S參數(shù)提取的等效電路模型的原件值為：C1 = 0.979 pF，L1 =1.667 nH，C2 = 0.75 pF，L2 = 1.683 nH，and Cp= 0.487 pF。可見(jiàn)采用等效電路仿真(ADS)的結(jié)果與電磁仿真結(jié)果十分吻合。從而驗(yàn)證了等效電路的有效性和準(zhǔn)確性。

　　圖2 SSRR單元電磁仿真結(jié)果與等效電路仿真結(jié)果

　　與傳統(tǒng)的DGS諧振單元相比，SSRR的雙傳輸零點(diǎn)特性可用于濾波器設(shè)計(jì)。圖3給出了啞鈴型DGS、開(kāi)口諧振環(huán)和SSRR三種不同結(jié)構(gòu)的電磁仿真的頻率響應(yīng)特性?？梢?jiàn)SSRR的零點(diǎn)深度和阻帶寬度均比傳統(tǒng)DGS單元更好。

　　圖3 三種不同結(jié)構(gòu)DGS單元的電磁仿真結(jié)果比較