一种新颖的_形缺陷地结构低通滤波器

Abstract: In order to design a high performance miniaturized microstrip filter，a new Φshape defected ground structure ( DGS) is proposed． A Lowpass filter is designed using the Φshape DGS with H shape cascaded and threecascaded Φshape DGS lowpass filters is deopen stubs line． A one single，twosigned，simulated，fabricated and measured repectively． The transmission characteristics of the twocascaded Φshape DGS lowpass filter shows its advantages of compact size，high selectivity，low insertion loss and excellent passband performance． The frequency response of the threecascaded Φshape DGS lowpass filter presents the advantages of compact size; high selectivity; low insertion loss; better passband performance and high outband suppression of more than 40 dB． Measurement shows a good agreement with the simulated results． It also validates the requirements of miniaturization and high performance for filters． Key words: microstrip lowpass filter; Φshape; defected ground structure; H shape open stubs 微带低通滤波器 是 无线通 信 系统 ( 如 卫 星 通 信 和移动通信 ) 的 主 要 组 成 部 分， 用 于 抑 制不 需 要 的 谐波和杂散信号． 传统的微带 低通滤波器 包 括 阶 梯 阻抗线滤波器、 开 路 枝 节 滤波器、 半 集 总 元 件 滤波 器、 平行耦合半波长 谐 振 腔 滤波器、 发 夹 线滤波器、
［13 ］ 少了 约 40% ， 且 其 通 带 效 果好， 阻 带 范围 较 大 ． 另外 ， 考虑传 输 特 性 随 参 数 d 变 化 的 仿真 结 果 ( 见 图 4) ， 在设计滤波器时取 d = 6 mm．
图 1 一单元 Φ 形 DGS 结构和其谐振特性的仿真结果
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一单元 Φ 形 DGS 低通滤波器谐振特性研究 为了拓展 Φ 形 DGS 的阻带带宽， 实现更好的滤
杂散信号和传输泄露信号． 可抑制不需要的表面波、 DGS 仅需 1 个 与传统的光子带隙结构 ( PBG ) 相比， 缺陷单元就能获得 禁 带 特 性， 且 带 隙 中 心 频率 仅 由 缺陷 单 元 结构 决 定， 因 此 DGS 可 使 滤波器结构 紧
［4 ］ 凑， 能满足小 型化 要求 ． 研究人 员 提出了 各 种 不 同形状 DGS 结合开路枝节组 成 的低通滤波器， 如哑 ［57 ］ ［8 ］ 、 铃形 DGS 改 进 型 非 对 称 形 DGS 、 椭圆形 ［9 ］ ［10 ］ ［11 ］ DGS 、 开口谐振 环 DGS 、 半 圆 形 DGS 和 分 形
一种新颖 的 Φ 形缺陷地 结 构低通滤波器
喇东升， 吕英华， 张金玲， 孙思扬
( 北京邮电大学 电子工程学院，北京 100876 )
摘要: 为了设计一种高性能的小型微带滤波器， 提出了 一种 新 颖的 Φ 形缺陷地结构 ( DGS ) ， 在 此 基 础 上 提出了 一 以实现低通特性 和 提高 带 外 抑 制 度． 采用 级 联 结构 设计 并 制作 了 一 单 种加 H 形开路枝节的 Φ 形 DGS 单元模型， 元、 二单元和三单元 Φ 形 DGS 低通滤波器． 3 个 Φ 形 DGS 低通滤波器结构 紧凑， 二 单 元 和 三 单 元 Φ 形 DGS 低通 滤波器具有高选择性、 低插入损耗和良好的通带性能， 三单元 Φ 形 DGS 低通滤波器的带外抑 制 度 非常 高， 在 40 dB 以上． 测试结果与仿真结果一致， 证明了该滤波器可满足小型化和高性能的要求． 关 键 词: 微带低通滤波器; Φ 形; 缺陷地结构; H 形开路枝节 文献标志码: A 中图分类号: TN713
0907 收稿日期: 2010基金项目: 国家自然科学基金项目( 61072136 ) ; 高等学校博士学科点专项科研基金项目( 20070013004 ) Email: ladongsheng@ 163． com; 吕英华( 1944 —) ，男，教授，博士生导师． 作者简介: 喇东升( 1980 —) ， 男， 博士生，
DGS［12］．
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Φ 形缺陷地结构低通滤波器设计
Φ 形 DGS 结构谐振特性研究 本文提出了一种新颖的 Φ 形 DGS 结构， 该结构
通过 在 地 板 上 刻 蚀 一 个 Φ 形 结 构 而 得 到 ( 见 图 1 ( a) ) ． 由于存 在 阻抗 的 不 连续 性， 改变了传输线 的等效电容和等效电感， 得到了某种形式的谐振， 从 而实现慢波效应和带阻效应， 其谐振特性如图 1 ( b ) 所示， 通带特性和阻带特性不能满足滤波要求．
节的级联周期结构设计低通滤波器． 设计 了 二 单 元 Φ 形 DGS 低通滤波器和三单元 Φ 形 DGS 低通滤波 器， 如图 5 所示．

图6
级联 Φ 形 DGS 低通滤波器频率响应特性仿真结果
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实测结果
为 了 验 证 方 法的 有效 性， 加 工了 单 元 数分 别 为 1、 2 和 3 的 Φ 形 DGS 低通滤波器． 图 7 示出了 3 个
第3期
喇东升等: 一种新颖的 Φ 形缺陷地结构低通滤波器
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［3 ］ 改变传输线的等效电感和等效电容 ． DGS 具 有 慢 波特性和禁带特性 2 个鲜明 的 特点． 慢 波 特 性 影响 滤波器的通带性能， 实现滤波器紧凑设计; 禁带特性
开路枝节来增大并 联 电 容， 从 而 改 善 其 通 带性能 和 ， 阻带性能 实现 较 好 的滤波 效 果． 根 据 缺陷地结构 给出了一单元 Φ 形 DGS 低通滤波器的 的基本原理， 等效电路图． 如图 2 所 示． 图 2 ( a ) 中， 深灰 色 部 分 表示微带线， 浅灰色部分表示金属地结构， 刻蚀部分 是 DGS．
2011 年 6 月 第 34 卷 第 3 期
北 京 邮 电 大 学 学 报 Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications
Jun． 2011 Vol． 34 No． 3
5321 ( 2011 ) 03001205 文章编号: 1007-
［1 ］ 梳妆滤波器 等 ． 无线通 信 的 快 速 发展要求 面 积 ［2 ］ 小、 低成本、 高性能的低通滤波器 ． 传 统 的 微 带 滤
波器不能满足 这 些 需 求． 近 年 来， 有很 多 关 于 DGS 设计低通滤波器的研究． DGS 通过在 金 属 地 板 上 刻 蚀缺陷图案， 改变金属地板上屏蔽电流的分布， 从而
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级联 Φ 形 DGS 低通滤波器设计
波性能， 在 Φ 形 DGS 的 导 带 两 端 对 称 地 加 载 H 形
为 了 进 一 步 提高 该 低通结构的 带 外 抑 制 度， 获 得较好 的通 带性能， 采用 Φ 形 DGS 和 H 形 开 路 枝
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北 京 邮 电 大 学 学 报
第 34 卷
Φ 形 DGS 的参数与一单元 Φ 形 DGS 低通滤波 器模型的参数相同． 运 用 HFSS 软件 对 二 单 元 级 联 Φ 形 DGS 低通滤波器的 H 形 开 路 枝 节 参 数 的 优化 l = 12 mm、 k = 2 mm、 m = 1 mm， 设计， 可 得到 相 应 的
图3 一单元 Φ 形 DGS 低通滤波器传输特性仿真结果
范围内的回波损耗低于 － 14. 5 dB ， 而带外抑制度在 4. 1 ～ 12. 8 GHz 范围 内 大 于 40 dB． 三 单 元 级 联 Φ 形 DGS 低通滤波器 具 有 良好 的通 带性能 和 很 高 的 带外抑制度．
图4
S11 参数随参数 d 变化的仿真结果
图2 一单元 Φ 形 DGS 低通滤波器及其等效电路
为 了 研究 该 滤波器的传 输 特 性， 采用 基于 有 限 元法的电磁 仿真 软件 HFSS 10. 0 ， 介质 板 的 介 电 常 50 Ω 微 带 线 宽 数为 ε r = 3. 48 ， 厚 度 为 0. 508 mm， w = 1. 05 mm． 一单元 Φ 形 DGS 低通滤波器的传 输 特性依赖于 DGS 和 H 形 开 路 枝 节 的 参 数 变 化． 通 b= 过仿真优化 得到 Φ 形 DGS 的 参 数 为 a = 8 mm、 1 mm、 c = 1 mm、 d = 6 mm， H 形开路枝节的参数为 l = 10 mm、 k = 2 mm． 低通滤波器的传 输 特 性 如 图 3 所 示． 与 没 有 Φ 形 DGS 情 况 相 比， 一单元 Φ 形 DGS 低通滤波器的通 带性能 和 阻 带性能 都 得到很 大改善． Φ 形 DGS 低通滤波器与 互 补 开 口 谐 振 环 ( CSRR) DGS 低通滤波器相比， 结构 减小 了 40% ， 阻带范围却比 CSRR DGS 大 得 多， 且阻带抑制效果 ［3 ］ 也比 CSRR DGS 高 ． Φ 形 DGS 低通滤波器与 开 口谐振环( SRR) DGS 低通滤波器相比， 结构 同 样 减