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1 引言 DGS是指在微帶線(xiàn)等傳輸線(xiàn)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構，通過(guò)改變地板電流分布的從而改變傳輸線(xiàn)的傳輸特性。DGS自1999年J.I.Park等學(xué)者在光子帶隙結構(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(lái)DGS在微帶電路設計中的應用已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，結構簡(jiǎn)單且易于仿真和實(shí)際加工。其次，具有足夠寬的阻帶特性和慢波效應，在放大器設計中可以用來(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實(shí)現較小的插損。 DGS與微帶線(xiàn)結合，通過(guò)地板的刻蝕一定的幾何結構而產(chǎn)生諧振特性，其中DGS單元的諧振頻率可以通過(guò)改變幾何結構的形狀和大小來(lái)控制，傳統的DGS諧振器有啞鈴狀、三角形、圓形、L形和開(kāi)口諧振環(huán)等不同結構。但是以上結構都存在一定的問(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)微帶枝節改善帶外特性。本文利用SSRR的優(yōu)點(diǎn)，設計了三種具有不同單元數的低通濾波器，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的結構及其等效電路模型。如圖所示，與傳統開(kāi)口諧振環(huán)相比，該諧振單元由內外兩個(gè)對稱(chēng)開(kāi)口的分裂圓環(huán)組成，并且內環(huán)中間有一條連接上下兩個(gè)半圓的縫隙。而傳統的開(kāi)口諧振環(huán)的內外環(huán)只有一個(gè)開(kāi)口，內外環(huán)分離并且內環(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構成的串聯(lián)諧振單元是由SSRR的外環(huán)的兩個(gè)對稱(chēng)半圓所產(chǎn)生，由L2 和C2組成的諧振單元是由內環(huán)所產(chǎn)生的，而內環(huán)與外環(huán)之間的相互耦合則由Cp表示。 圖1 SSRR單元結構及其等效電路模型 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(shí)，其中本文所采用的仿真參數w為50Ω微帶傳輸線(xiàn)特性阻抗寬度，介質(zhì)板的介電常數εr=3.48，介質(zhì)板厚度為0.787 mm，利用Ansoft HFSS得到SSRR的仿真結果，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�？梢�(jiàn)采用等效電路仿真(ADS)的結果與電磁仿真結果十分吻合。從而驗證了等效電路的有效性和準確性。 圖2 SSRR單元電磁仿真結果與等效電路仿真結果 與傳統的DGS諧振單元相比，SSRR的雙傳輸零點(diǎn)特性可用于濾波器設計。圖3給出了啞鈴型DGS、開(kāi)口諧振環(huán)和SSRR三種不同結構的電磁仿真的頻率響應特性�？梢�(jiàn)SSRR的零點(diǎn)深度和阻帶寬度均比傳統DGS單元更好。 圖3 三種不同結構DGS單元的電磁仿真結果比較 2.2 低通濾波器設計 一般來(lái)說(shuō)，DGS的頻率特性主要取決于其結構尺寸，因此可以通過(guò)改變其結果尺寸的大小和形狀間接有效地改變其頻率特性。如圖4所示，縫隙g的寬度變化對SSRR的諧振特性有較大影響，g變化時(shí)，其等效電容C2也隨之變化，當g逐漸增大時(shí)，C2逐漸減小，諧振頻率f2向更高的頻率移動(dòng)�？p隙g的引入，極大的改變了SSRR的諧振特性，兩個(gè)傳輸零點(diǎn)產(chǎn)生的較寬的阻帶帶寬使得其在濾波器設計時(shí)無(wú)需增加多余的并聯(lián)微帶枝節。 通過(guò)上面對SSRR單元的頻率響應特性的分析可知，其帶內平坦、帶外下降陡峭的特性適用于濾波器設計，采用多單元級聯(lián)結構，由相鄰單元之間的相互耦合抑制高階諧波，實(shí)現性能良好的低通濾波器，如圖5所示。 圖4 縫隙g對SSRR的頻率特性的影響 級聯(lián)SSRR單元的具體尺寸均為：R1= 4.8 mm，R2 = 3.3 mm，r = 1 mm，g = 0.5 mm，d = 0.5 mm。圖6分別給出了1個(gè)，兩個(gè)和三個(gè)SSRR單元級聯(lián)的頻率響應特性。對于兩個(gè)單元級聯(lián)l = 13.5 mm，s = 10.2 mm;三單元級聯(lián)是l = 15 mm，s = 7.7 mm。不難看出，在不采用額外并聯(lián)枝節的情況下，隨著(zhù)單元數目的增加，濾波器的下降特性變的更加陡峭，同時(shí)帶外衰減也得到改善，三單元級聯(lián)低通濾波器的截至頻率為4.75 GHz，帶外抑制從4.9 GHz 到10 GHz的范圍內帶外抑制低于-32 dB。同時(shí)，隨著(zhù)級聯(lián)單元數目的增加，通帶內的插損也有所增加。由以上分析可知，對于低通濾波器的優(yōu)化設計設計，既要提高帶外諧波的抑制能力，又要減少通帶內的插損，因此必須考慮使用級聯(lián)的SSRR的單元數，同時(shí)調諧單元的結構尺寸。 圖5 兩個(gè)SSRR單元的級聯(lián)結構 圖6 不同數量級聯(lián)SSRR單元的頻率響應特性 3 實(shí)驗結果與分析 為了驗證上述低通濾波器的理論分析，本文在模型仿真的基礎上進(jìn)行實(shí)物加工和實(shí)驗測試。圖7給出了三種不同單元數的低通濾波器。采用Taconic TLC的介質(zhì)板，介電常數為3.48，介質(zhì)板厚度為0.787mm。 利用Agilent 矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀N5230分別對SSRR低通濾波器進(jìn)行測試。圖8和9分別給出了單個(gè)SSRR和三個(gè)SSRR單元及聯(lián)的低通濾波器的電測仿真結果與實(shí)測結果的比較�？梢缘贸�，實(shí)測結果模型仿真分析非常吻合，三單元的低通濾波器的實(shí)測截止頻率為4.89 GHz，帶外在5.0 2 GHz 到10 GHz范圍內帶外抑制約為-31 dB，帶內差損為0.695dB。 (a)濾波器正面視圖 (b)濾波器背面視圖 圖7 三種不同SSRR單元的濾波器， 圖8 一個(gè)SSRR單元的電磁仿真與實(shí)測結果比較 圖9 三SSRR單元的電通濾波器的電磁仿真與實(shí)測結果比較 4 結論 本文在分析比較傳統DGS諧振結果的基礎上，提出了一種新穎的SSRR DGS諧振結構，與傳統的DGS相比，SSRR具有雙傳輸零點(diǎn)、阻帶帶寬較寬、帶內差損較低、帶外下降陡峭等特性。同時(shí)分析了其頻率響應特性與單元尺寸之間的關(guān)系，已經(jīng)不同單元之間的互耦特性，通過(guò)多單元的及聯(lián)，改善了低通濾波器的帶外特性。實(shí)測結果與理論分析非常吻合。 |
