新型Koch型缺陷地面结构低通滤波器设计

李东伟,李天鹏,万鹏飞

(空军工程大学 导弹学院,陕西 三原 713800)

1 引 言

随着现代通信系统和雷达系统的飞速发展,无线通信已经成为21世纪最为热门的技术之一。作为无线通信的咽喉,滤波器在无线收发器中能够实现镜像消除、寄生滤波和信道选择等功能,在接收总体系统中起着关键性的作用,因此,设计出一个高性能、低成本的低通滤波器具有十分重要的意义。

缺陷地面结构(Defected Ground Structure,DGS)自1999年提出以来,由于其禁带效性、慢波效应和结构简单等优点,在滤波器的设计与研究上成为了一大热点。文献[1]提出一种螺旋形DGS并设计了一款螺旋形低通滤波器,文献[2]和[3]分别利用一种分形DGS实现了低通滤波,文献[4]则报道了一种狭缝型DGS。然而,目前大部分研究都集中在对禁带效应和慢波效应的探索上,很少涉及DGS的谐振特性[4,5]的研究。

本文基于分形理论和缺陷地面结构提出了一种Koch型缺陷地面结构(Koch-shaped Defected Ground Structure,KDGS),该结构是通过在微带线的金属接地板上刻蚀Koch型槽的结构实现,从而在特定频率产生谐振的效果。基于此谐振特性,设计了两款基于Koch型缺陷地面结构的低通滤波器,仿真结果表明:所设计的低通滤波器不仅滤波性能良好,而且具有设计方法简单、体积小以及成本低等优点。

2 Koch型缺陷地面结构

图1为Koch曲线生成图,取一条长为1的直线段(Koch曲线的初始元,如图1(a)所示),将其三等分,保留两端线段,将中间的一段改换成夹角为60°的两条长度为1/3的等长直线段,如图1(b)所示;再将4条直线段分别三等分并将各直线段中间的一段改换成夹角为60°的两条长度为1/9的等长直线段,如图1(c)所示。重复上述操作以至无穷,便可得到理想的Koch曲线。

图1 Koch曲线生成示意图Fig.1 Koch curve elements

图2为本文所提出的新型Koch型缺陷地面结构示意图,图中灰色部分为接地板,白色部分为接地板上的缺蚀结构,由4条闭合的Koch曲线组成。该结构通过扰乱接地板上的电流分布达到谐振的效果,谐振频率可以通过Ansoft HFSS的本征模求解得到。采用厚度为0.254mm、介电常数为2.2的RT/Duroid5880介质基片仿真,可得缺蚀线段长度为12.5mm时谐振频率为20.5GHz。

图2 分形Koch缺陷地面结构示意图Fig.2 Fractal Koch-shaped defected ground structure

3 基于KDGS低通滤波器的设计

由传输线理论可知,小于四分之一引导波长λg/4的开路短截线表现为容性,可等效为并联电容;大于四分之一引导波长λg/4的开路长截线表现为感性,可等效为并联电感[6]。结合KDGS,本文设计了一款三极点低通滤波器和一款五极点低通滤波器,分别如图3和图4所示,图中KDGS线段总长37.12mm,线宽0.3mm,其它结构尺寸参照图中具体标示。图中微带线的尺寸由商业软件Ansoft Designer优化而得。

图3 三极点KDGS低通滤波器结构图Fig.3 Three-pole low pass filter based on Koch-shaped defected ground structure

图4 五极点KDGS低通滤波器结构图Fig.4 Five-pole low pass filter based on Koch-shaped defected ground structure

滤波器的设计指标是,截止频率 fc=3GHz;10dB阻带宽度:绝对带宽大于2倍通带宽度;通带衰减等于或小于0.5 dB;阻带衰减在4 GHz处至少有20dB衰减;端接条件:两输出端接50Ψ微带线;微带材料参数:介电常数 εr=2.2,介质厚度 h=0.79mm,损耗角正切 tan δε<0.001。

为检验设计效果和验证设计的准确性,对上述设计的两种新型滤波器使用Ansoft Designer进行电磁仿真和优化,仿真采用厚度为0.79mm、介电常数为2.2的RT/Duroid5880介质基片,仿真结果如图5和图6所示。

图5 三极点低通滤波器S参数仿真结果Fig.5 Simulation results of S parameter of three-pole low pass filter based on KDGS

图6 五极点低通滤波器S参数仿真结果Fig.6 Simulation results of S parameter of five-pole low pass filter based on KDGS

一般低通滤波器的参数指标主要包括通带内插入损耗、阻带宽度(10dB或20dB,本文采用20dB的阻带带宽)、选择特性 ξ等,其中选择特性ξ由公式(1)计算[7]:

式中,a1表示3 dB插损,a2表示20dB插损,f1表示3 dB插入损耗对应的频点,f2表示20dB插入损耗对应的频点,ξ的单位为dB/GHz。

由图5和图6可以看出,所设计的两种滤波器性能均很好,证明了所提设计方法的有效性。五极点低通滤波器性能略优于三极点低通滤波器,五极点滤波器截止频率为3.08 GHz,在通带内插入损耗为0.10dB,回波损耗最大旁瓣优于15 dB,说明具有良好的通带性能;阻带衰减大于10dB的阻带带宽为12.25GHz(3.08～15.5 GHz),相当于3.8倍的通带带宽,说明具有超宽的阻带带宽;通带与阻带之间的过渡带仅为0.45 GHz(3.25～3.7 GHz),其选择特性达到了37.80dB/GHz,说明具有非常好的矩形度。表1为本文所设计的五极点低通滤波器与其它文献提出的滤波器的性能比较结果。

表1 低通滤波器性能的比较Table 1 Capability comparison between low pass filters

4 结 论

本文基于分形曲线和缺陷地面结构提出了一种Koch型缺陷地面结构,并将其应用到滤波器设计中,设计了两款基于Koch型缺陷地面结构的低通滤波器。结果表明:所设计的滤波器性能良好,设计方法简单,体积小且成本低。该新型Koch缺陷地面结构和滤波器设计方法在无线通信领域具有一定应用价值。

[1]Kim C S,Lim J S,Nam S,et al.Equivalent circuit modeling of spiral defected ground structure for microstrip line[J].Electronics Letters,2002,38(19):1109-1120.

[2]LiuH,LiZ F,SunX W.A novelfractal defected ground structure and its application to the low-pass filter[J].Microwave andOptical Technology Letters,2003,39(1):453-456.

[3]LiuH,LiZ F,Sun XW,et al.An improved 1-D periodic defected ground structure for microstrip line[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2004,14(1):180-182.

[4]Weng L H,Guo Y C,Shi X W,et al.An overview on defected ground structure[J].Progress In Electro magnetics Research B,2008,7(1):173-189.

[5]陈文灵.分形几何在微波工程中的应用研究[D].西安:空军工程大学,2008.CHEN Wen-ling.Investigations into the applica-tions of fractal geometry in microwave engineering[D].Xi′an:Air Force Engineering University,2008.(in Chinese)

[6]张胜.微型平面微波滤波器的机构和性能研究[D].上海:上海大学,2006.ZHANG Sheng.Study on Structure and Performance of Miniature Planar Microwave Filters[D].Shanghai:Shanghai Uni-versity,2006.(in Chinese)

[7]Lingyu Li,Haiwen Liu,Baohua Teng,et al.Novel microstrip lowpass filter using stepped impedance resonator and spurline resonator[J].Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(1):196-197.