基于DGS對稱(chēng)開(kāi)口諧振環(huán)的低通濾波器設計

　　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