一种双U形缺陷地结构低通滤波器的设计

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

光子带隙结构(Photonic Band Gap，PBG)是一种周期性结构，由于该结构在一些频段内表现出带阻特性，使得其可应用于各种微波电路中[1]。PBG 结构周期性的特点造成它的等效电路模型复杂，影响其带隙特性的因素多。基于PBG 结构，文献[2]提出了缺陷地结构(Defected Ground Structure，DGS)。DGS 结构也是在地板上刻蚀出一定形状的缺陷图案，改变微带线的有效电感和有效电容，造成由DGS 构成的微带线出现慢波效应和阻带效应，采用DGS 滤波器与传统滤波器比较具有频率抑制特性好、易于实现、结构紧凑、模型简单等优点。文献[3]设计了一种φ形DGS 结构低通滤波器，文献[4]用八木DGS 结构设计出了宽阻带低通滤波器。文献[5]提出一种U形DGS 低通滤波器相比传统的DGS 低通滤波器，其阻抗特性更加突出。文献[6]提出了一种通过改变结构来调整截止频率的U形DGS。传统的U形DGS 低通滤波器通过增加DGS的阶数来获得更好的特性，但这样会增加滤波器的尺寸。为了实现了滤波器的小型化，本文提出了一种双U形DGS 结构。借助高频仿真软件HFSS 对该缺陷结构S 参数频响特性进行仿真分析，利用该DGS 结构设计一种低通滤波器并加工出实物。

1 双U形DGS 结构低通滤波器

1.1 双U形DGS的频响特性

DGS是通过在接地板上刻蚀出图案来改变微带线的有效电感和有效电容从而导致频率特性发生变化，因此可以用LC 并联电路作为DGS 微带线的等效电路，并且将等效LC 电路对应于一阶巴特沃斯响应。文献[2]给出了详细的公式推导过程，其等效电路参数如下:

式中，ω0、ωc分别为谐振角频率和截止角频率，f0为谐振频率，Z0为微带线特征阻抗，g1为一阶巴特沃斯低通原型值。本文提出的双U形DGS 结构如图1所示。初始尺寸设为L1 =2 mm，L2 =9 mm，L3 =8.5 mm，g1 =0.5 mm，g2 =0.6 mm，W1=2.4 mm。利用HFSS 软件构建模型并对L3 参数进行扫描分析，结果如图2所示，从结果可以看出双U形DGS 结构表现出了滤波特性，随着L3的增大截止频率将向低频点偏移。尺寸的改变引起微带线的有效电感和有效电容改变，由式(1)、式(2)得出双U形DGS 结构的频率特性将会改变，理论和实际相符合说明双U形结构可以用于低通滤波器的设计。

图1 DGS 结构

图2 不同的L3 对应的频率特性

1.2 DGS 结构低通滤波器设计

为改善滤波特性，通过引入矩形开路枝节在滤波器的阻带内产生传输零点使其表现出良好的阻带特性[7]。具体波器结构如图3所示。图3(a)为滤波器的正面，由特征阻抗为50 Ω的微带线和矩形开路枝节构成，图3(b)为接地板。介质基板厚度0.8 mm，εr =2.2，损耗角正切0.000 9。通过调节矩形开路枝节的尺寸参数可以使滤波器表现出良好的阻带特性。利用三维电磁仿真软件HFSS 对滤波器各项尺寸参数进行优化设计，通过对滤波器的各项参数进行扫描分析得出最优尺寸:L1 =2 mm，L2 =8.5 mm，L3 =8 mm，L4 =7 mm，L5 =5 mm，W1 =2.4 mm，g1 =0.5 mm，g2 =0.8 mm。

图3 DGS 结构滤波器结构图

2 实测结果

基于上述给出最优化尺寸，加工制作了DGS 结构滤波器实物，为了验证仿真结果的准确性，采用矢量网络分析仪器对滤波器的S 参数进行实际测量，并对实测结果和仿真结果进行了对比。

利用三维电磁仿真软件HFSS 对滤波器的S 参数进行仿真，该滤波器S21、S11的软件仿真结果与实验室测得结果对比图如图4所示。从图4中清楚看到，滤波器仿真结果和实测结果的变化趋势基本一致，但是有偏差。其主要原因为加工制作时的尺寸误差、焊接精度等。结果表明该滤波器在3 dB 处的截止频率为3.26 GHz，通带范围波纹最大达到0.4 dB，插入损耗大于20 dB的阻带宽度为5.2 GHz，充分验证了低通滤波器模型的有效性。

图4 滤波器S 参数仿真与测试结果

3 结束语

本文首先提出一种双U形DGS 结构。为了验证该DGS模型的有效性，利用三维电磁场仿真软件分析了DGS 结构S 参数的频响特性，表明本结构具有阻带特性，可以用于低通滤波器的设计。利用本结构设计并制作了一款低通滤波器，相比于传统的低通滤波器结构简单紧凑，易于实现，具有一定的实际参考应用价值。

[1]Radisic V，Qian Y，Coccioli R，et al.Novel 2-D photonic bandgap structure for microstrip lines[J].Microwave and Guided Wave Letters，IEEE，1998，8(2):69-71.

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[3]La S，Lu Y Hua，Zhang J L.Compact low-pass filters using novel Ф shape defected ground structure[J].Microwave and Optical Technology Letters，2011，53(6):1456-1459.

[4]Boutejdar A.Design of broad-stop band low pass filter using a novel quasi-Yagi-DGS-resonators and metal box-technique[J].Microwave and Optical Technology Letters，2014，56(3):523-528.

[5]Guan X，Li G，Ma Z.Optimized design of a low-pass filter using defected ground structures[C]//Microwave Conference Proceedings，2005.APMC 2005.Asia-Pacific Conference Proceedings.Suzhou:IEEE，2005:4-7.

[6]龙泉，杜正伟，刘濮鲲.一种新颖U形缺陷地结构宽阻带低通滤波器[J].微波学报，2008，24(4):64-67.

[7]Quendo C，Rius E，Person C.Narrow bandpass filters using dual-behavior resonators based on stepped-impedance stubs and different-length stubs[J].Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2004，52(3):1034-1044.