基于DGS對稱開口諧振環的低通濾波器設計

　　1 引言

　　DGS是指在微帶線等傳輸線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，通過改變地板電流分布的從而改變傳輸線的傳輸特性。DGS自1999年J.I.Park等學者在光子帶隙結構(Photonic band-gap, PBG)的基礎上提出后，已經被應用于濾波器和功率放大器等射頻器件設計。近年來DGS在微帶電路設計中的應用已經成為研究的熱點。它具有以下優點：首先，結構簡單且易于仿真和實際加工。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抑制二次甚至高次諧波，同時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現較小的插損。

　　DGS與微帶線結合，通過地板的刻蝕一定的幾何結構而產生諧振特性，其中DGS單元的諧振頻率可以通過改變幾何結構的形狀和大小來控制，傳統的DGS諧振器有啞鈴狀、三角形、圓形、L形和開口諧振環等不同結構。但是以上結構都存在一定的問題，如阻帶寬度較低，只有一個傳輸零點，并且需要外加并聯微帶枝節改善帶外特性。本文利用SSRR的優點，設計了三種具有不同單元數的低通濾波器，對于最終優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，與傳統開口諧振環相比，該諧振單元由內外兩個對稱開口的分裂圓環組成，并且內環中間有一條連接上下兩個半圓的縫隙。而傳統的開口諧振環的內外環只有一個開口，內外環分離并且內環沒有連接。該SSRR等效電路如圖1(b)所示，兩個由L1和C1構成的串聯諧振單元是由SSRR的外環的兩個對稱半圓所產生，由L2 和C2組成的諧振單元是由內環所產生的，而內環與外環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，其中本文所采用的仿真參數w為50Ω微帶傳輸線特性阻抗寬度，介質板的介電常數εr=3.48，介質板厚度為0.787 mm，利用Ansoft HFSS得到SSRR的仿真結果，可見具有兩個傳輸零點，由外環產生的傳輸零點為f1 = 5.13GHz，由內環產生的傳輸零點為f2 = 4.48 GHz。通過電磁仿真所得到的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。可見采用等效電路仿真(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的雙傳輸零點特性可用于濾波器設計。圖3給出了啞鈴型DGS、開口諧振環和SSRR三種不同結構的電磁仿真的頻率響應特性。可見SSRR的零點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