基于DGS對稱開口諧振環(huán)的低通濾波器設計

　　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等學者在光子帶隙結(jié)構(gòu)(Photonic band-gap, PBG)的基礎上提出后，已經(jīng)被應用于濾波器和功率放大器等射頻器件設計。近年來DGS在微帶電路設計中的應用已經(jīng)成為研究的熱點。它具有以下優(yōu)點：首先，結(jié)構(gòu)簡單且易于仿真和實際加工。其次，具有足夠?qū)挼淖鑾匦院吐ㄐ?，在放大器設計中可以用來抑制二次甚至高次諧波，同時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)實現(xiàn)較小的插損。

　　DGS與微帶線結(jié)合，通過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改變幾何結(jié)構(gòu)的形狀和大小來控制，傳統(tǒng)的DGS諧振器有啞鈴狀、三角形、圓形、L形和開口諧振環(huán)等不同結(jié)構(gòu)。但是以上結(jié)構(gòu)都存在一定的問題，如阻帶寬度較低，只有一個傳輸零點，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，設計了三種具有不同單元數(shù)的低通濾波器，對于最終優(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低通濾波器設計

　　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)開口諧振環(huán)相比，該諧振單元由內(nèi)外兩個對稱開口的分裂圓環(huán)組成，并且內(nèi)環(huán)中間有一條連接上下兩個半圓的縫隙。而傳統(tǒng)的開口諧振環(huán)的內(nèi)外環(huán)只有一個開口，內(nèi)外環(huán)分離并且內(nèi)環(huán)沒有連接。該SSRR等效電路如圖1(b)所示，兩個由L1和C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振單元是由SSRR的外環(huán)的兩個對稱半圓所產(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，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，可見具有兩個傳輸零點，由外環(huán)產(chǎn)生的傳輸零點為f1 = 5.13GHz，由內(nèi)環(huán)產(chǎn)生的傳輸零點為f2 = 4.48 GHz。通過電磁仿真所得到的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。從而驗證了等效電路的有效性和準確性。

　　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的雙傳輸零點特性可用于濾波器設計。圖3給出了啞鈴型DGS、開口諧振環(huán)和SSRR三種不同結(jié)構(gòu)的電磁仿真的頻率響應特性?？梢奡SRR的零點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