基于缺陷接地结构的超宽带带通滤波器的设计*

金雁冰

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

超宽带(UWB）技术具有频带宽、功耗低、传输速度快、隐蔽性好以及多径分辨能力强、系统容量大和高精度的距离分辨力等优点，在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像和武器控制等众多领域有着广阔的应用前景［1］。而作为其中的组成部分，超宽带滤波器扮演着重要的角色，起着选择信号的重要作用，其工作性能好坏直接影响到超宽带系统的整体工作性能。因此，它的研制在工程上具有非常重要的应用价值。

缺陷接地结构(Defected Ground Structure，简称DGS）是近期微波领域研究的热门话题之一。它是由光子带隙结构(PBG）发展而来，改变了传统的局限于电路板表面的元件分布和设计的视野，充分开发和利用电路的背面，通过在微波电路的接地金属板上蚀刻出周期性或非周期性的单元，改变接地电流的分布，从而改变传输线的频率特性，使得某些频率的电磁波无法在其中传输，从而在频谱上形成带隙。因此，DGS可广泛地应用于抑制谐波、改善效率、提高Q 值、制作滤波器等方面。

目前，超宽带滤波器的设计得到了迅猛的发展，而且性能也越来越好。现有文献所报道的UWB 滤波器主要有以下3 种形式(含其变形）:低通滤波器+高通滤波器、带通滤波器和高通滤波器+带阻滤波器，而滤波器结构主要包括悬置带线(SSL）、共面波导(CPW）、微带及其混合结构等。本文所研制的滤波器是将阶梯阻抗耦合谐振器和谐振环(DGS）相结合，设计出中心频率7.5 GHz、相对带宽106%，且选频特性好、结构紧凑的超宽带带通滤波器。

1 结构与仿真设计

最近，有研究者将开口谐振环应用到DGS中，提出了开口谐振环缺陷接地结构(Split-ring resonator defected ground structure，简称SRR DGS）［2］，其结构具有陡峭的带隙特性和平坦的低通特性;由于可以采用在谐振环DGS的导带两端对称地加载开路支节来增大并联电容，从而改善其阻带特性，在某些频率处还可以产生衰减极点，表现出带阻，因此适合用作低通滤波器的基本单元［3］。此结构要想构成带通滤波器，就需要与其他结构配合;而对于阶梯阻抗耦合谐振器，当频率较低时，耦合节间的容抗较大，耦合作用很弱，大部分信号反射回到信号源端，只有少量信号耦合到输出端，故低频端的回波损耗非常大，表现出明显的高通特性。本文将这两种结构相结合，在阶梯阻抗谐振器的折叠线下方接地面引入谐振环DGS。这具有两个重要的作用:第一，它通过减小上表面电路与地板之间的耦合，来增强阶梯阻抗耦合单元之间的耦合，从而增加工作带宽;第二，通过缺陷单元扰乱微带接地板上屏蔽电流的分布，改变介质材料的有效介电常数，从而改变微带线的分布参数，实现慢波效应和带阻特性，具有抑制寄生通带的作用，为超宽带滤波器宽带设计提供依据。基于这种设计思想，在这里，所采用的正面电路阶梯阻抗耦合谐振器和背面电路SRR DGS 构分别如图1、图2所示。

图1 阶梯阻抗耦合谐振器

图2 开口谐振环缺陷接地结构

由于滤波器的带宽主要由传输曲线频率高、低端的衰减极点所决定，在频率高端，通过调整耦合节的长度，可以控制高频端衰减极点的位置。图3、图4为随耦合支节L1和L2的长度变化，利用仿真软件为Microwave CST，所得出的相应的频率高端衰减极点位置改变的扫描曲线图。该电路所采用介质基板为Rogers 公司RT6002，其介电常数εr=2.94，厚度h=0.508 mm。从扫描曲线图可以看出，在保证通带插入损耗不变的情况下，减小耦合线L1和L2的长度，频率低端的衰减极点基本不变，而高端衰减极点则向频率高端移动，从而增大整个通频带范围。

图3 衰减极点随耦合支节L1 长度变化曲线

图4 衰减极点随耦合支节L2 长度变化曲线

在频率低端，背部电路的缺陷接地宽度L4和长度L5 对频率低端的衰减极点位置影响较大，通过改变这些尺寸，可以实现频率低端的传输极点的位置控制。图5、图6分别为改变L4和L5的尺寸所对应的低端衰减极点位置的改变的扫描曲线图。所采用的仿真软件和介质基板均与上同。

综上所述，通过分别改变不同电路支节的长度，可以得到不同滤波特性的滤波器。

由于周期单元结构可以改变阻带的深度，级联上述结构单元，不但可以抑制寄生通带，而且还可以大大改善矩形系数，提高滤波性能。现采用两个级联单元进行仿真设计，电路结构及S 参数仿真结果分别如图7、图8所示(采用仿真软件为Ansoft HFSS，采用介质基板仍为上述的RT6002）。

图5 衰减极点随耦合支节L4 长度变化曲线

图6 衰减极点随耦合支节L5 长度变化曲线

图7 电路仿真结构

图8 S 参数仿真结果

图8 仿真结果显示，该滤波器在3.5～11.5 GHz的通频带内，插入损耗小于0.3 dB，驻波小于－12 dB，在频率的高低两端，均存在衰减极点，相对带宽106%，具有较宽的传输带宽和较好的矩形系数，可以满足超宽带滤波器的设计要求。

2 测试与分析

根据图7、图8 仿真的结构及仿真尺寸制作了滤波器。该滤波器的输入输出为SMA，装配实物正面如图9、背面如图10所示。

图9 实物正面

图10 实物背面

利用Agilent的矢量网络分析8720ET，对装配好的滤波器进行测试，测试结果如图11所示。可以看出，在通带3.5～11.5 GHz的频率范围内，大部分频点插损在－2 dB左右，最小插损为0.7 dB，最大插损为3.7 dB，带内驻波在－9.6 dB 以下，具有较好的矩形度。从S 参数测试和仿真结果比较可以看出，二者之间的曲线走势基本一致，但某些频点的插入损耗较大。经分析，主要原因可归纳为以下几点:(1）所用电路板材较薄，焊接和测试时均存在不同程度的微弯现象，可能导致一些额外的反射;(2）所敷铜层较薄，焊接及测试时SMA 接头易导致表面微带金属层的剥离，反复焊接使得馈线的输入输出阻抗有所改变;(3）背面的缺陷接地增大了整个电路的辐射损耗。这些因素均可导致其损耗增加。如果采用损耗小、厚度大的基板，并减少反复焊接次数，其损耗将会得到一定的改善。

图11 测试结果

4 结束语

该超宽带带通滤波器制作采用一般的微带电路印制工艺，具有精度可靠、成本低廉、结构紧凑及尺寸小的特点。虽然因某些原因导致了其损耗增加，但总的来说还是较好地达到了超宽带滤波器的设计要求。

［1］高山山.超宽带微带带通滤波器的研究与设计［D］.电子科技大学论文.

［2］WU Bian，LI Bin，LIANG Changhong.Design of low-pass filter using novel split ring resonator defected ground structure［J］.Microwave and optical technology letters，2007，49(2）:288-291.

［3］付树洪，童创明，李西敏.一种新颖的开口环地面缺陷结构低通滤波器［J］.电波科学学报，2009，24(6）.