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1 引言 眾所周知, DGS是一種典型的EBG結構,這種結構可以通過一個或者多個單元結構在某些頻率段產生能帶隙特性。由于DGS具有本征的諧振和帶阻特性, 它被廣泛應用于濾波器的電路設計中來改善通帶和阻帶的特性。此外, 應用接地板上的蝕刻縫隙結構,可以有選擇地產生阻帶特性。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成的濾波器結構能夠在阻帶提供一個傳輸零點并且具有良好的阻帶特性。基于這些考慮，為了獲得具有寬阻帶特性的DGS低通濾波器，本文設計了一種由三個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)，表明該結構具有很好的諧波抑制能力，通帶內的回波損耗小于0.25dB，與仿真結果吻合很好。 2 U-型DGS低通濾波器的設計與分析 2.1 U-型DGS低通濾波器的設計 圖1(a)所示為U-型DGS低通濾波器的結構圖。上層結構由一個含有開路線和扇形線50-Ω的微帶線組成，在介質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-型槽結構構成。 圖1(b)為低通濾波器的上層結構。由開路線的結構特性，可以根據開路線的長度把傳輸零點調節到所需要的頻率點;帶內的阻抗匹配可以通過調節扇形線的尺寸來實現，尺寸參數包括它的半徑、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行調節。為了實現低于良好的阻帶諧波抑制特性，經過計算分析和優化設計，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)為蝕刻在介質板底端的兩個U-型DGS結構單元，每個單元都由三個U-型槽構成，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構具有設計和調節方便的特點，可以很方便地應用于其他結構的設計之中。 (a) (b) (c) 圖1 (a) U-型DGS低通濾波器結構圖; (b) 低通濾波器結構頂視圖; (c) 低通濾波器底面結構 2.2 U-型DGS低通濾波器的性能分析 我們采用HFSS進行DGS低通濾波器的設計仿真。該低通濾波器設計在厚度為0.508mm的介質板上，其介電常數為er = 2.65。在確定最后的優化尺寸之前，我們研究分析了一些結構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果。從仿真結果中可以看出，在一定的尺寸范圍內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的阻抗匹配，對阻帶內性能也有一定的影響。仿真結果表明, 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阻抗發生較大的變化，雖然角度越大阻帶內的特性越好，但是通帶內反射在1.5GHz ~2GHz內則較大， 在30°左右通帶和阻帶的綜合特性較好。 通過上述分析，并經過軟件優化，最終確定的尺寸如下：L1 = 2mm，開路線長L2 = 7mm, L3 = 0.65mm, L4 = 8.8mm, L5 = 8.55mm, R = 8mm, 扇形支節的角度 arc = 25°, 50歐姆微帶線的寬度W1 = 1.37mm, W2 = 0.9mm, g1 = 0.7mm, g2 = 0.35mm. (a) (b) (c) 圖2 (a)兩U-型槽單元間距L1對低通濾波器性能的影響; (b)扇形線半徑R對低通濾波器性能的影響; (c)扇形線角度arc對低通濾波器性能的影響 用HFSS仿真的濾波器特性如圖3的虛線所示，不難看出，在阻帶有四個傳輸零點，分別為2.6GHz, 4.7GHz, 5.7GHz 和 7.2GHz,大致對應三個U-型槽和開路線的諧振頻率點。對于外側的U-型槽，由于緊鄰開路線和扇形線結構，因而產生了額外的容性加載,所以外側U-型槽的諧振點要比理論計算的結果偏低一些。 圖3 U-型DGS低通濾波器仿真和實驗測試結果 3 實驗結果和討論 在上述設計分析的基礎上，我們加工了一個實際的DGS低通濾波器，如圖4所示。采用的介質板厚度為0.508mm, 其介電常數為er = 2.65。測試結果也一并畫在圖3中，如實線顯示。顯然，實驗結果和測試結果吻合較好。由測試結果和仿真結果，我們都可以看到，這種低通濾波器具有良好的通帶特性，其帶內插入損耗小于0.25dB，回波損耗小于-20 dB，表明了良好的通帶阻抗匹配特性。另外，該DGS低通濾波器具有很寬的阻帶，帶外衰減大于25dB的阻帶相對帶寬約為105% (2.6GHz ~8.4GHz)。不過，由于加工精度的影響，測試的零點和極點的位置略有偏移，小于0.2GHz。 (a) (b) 圖4 (a) U-型DGS低通濾波器頂視圖照片; (b) U-型DGS低通濾波器底視圖照片 4 結論 本文設計和討論了一種新型的U-型DGS低通濾波器。采用3個U型槽組成的DGS單元結構可以產生良好的阻帶特性，而引入的兩個開路線結構又增加了阻帶傳輸零點的個數，因此設計出的低通濾波器具有良好的通帶和阻帶特性。這種具有相同寬度和間隔的U-型槽DGS結構具有設計和調節方便的優點，可以比較靈活地應用到其他結構的設計中。仿真分析和實驗測試都驗證了這種低通濾波器優良的性能及其可行性。 |
