基于缺陷地抑制高階諧波的帶通濾波器設(shè)計(jì)*

馮夢(mèng)璐，楊曙輝，陳迎潮

（1.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京100101；2.中國(guó)傳媒大學(xué)通信工程研究所，北京100024；3.南卡羅萊納大學(xué)電氣工程系，美國(guó)哥倫比亞29208）

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基于缺陷地抑制高階諧波的帶通濾波器設(shè)計(jì)*

馮夢(mèng)璐1，楊曙輝2，3*，陳迎潮3

（1.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京100101；2.中國(guó)傳媒大學(xué)通信工程研究所，北京100024；3.南卡羅萊納大學(xué)電氣工程系，美國(guó)哥倫比亞29208）

摘要：采用微帶線設(shè)計(jì)的平行耦合濾波器（MCL-BPF）在通帶以外往往產(chǎn)生諧波，出現(xiàn)寄生頻段。利用缺陷地結(jié)構(gòu)DGS （Defected Ground Structure）的單極點(diǎn)帶阻特性和慢波效應(yīng)可以改善寄生通帶，抑制諧波輸出。對(duì)2.4 GHz的傳統(tǒng)微帶平行耦合濾波器和改進(jìn)型帶通濾波器進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)與加工測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)良好吻合，所提出基于斜啞鈴型DGS的帶通濾波器（S-DGS-BPF）可抑制至四階諧波，抑制度達(dá)到-22 dB以下，阻帶為3-10GHz，中心頻率處回波損耗為-26.93dB。并且改進(jìn)型濾波器的尺寸縮小了約10%。

關(guān)鍵詞：微波帶通濾波器；缺陷地結(jié)構(gòu)；寬阻帶；諧波抑制

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61171039）

由于DGS（Defected Ground Structure）具有帶阻和慢波特性，應(yīng)用于各類射頻無(wú)源器件設(shè)計(jì)中，成為了最新的研究熱點(diǎn)，特別是對(duì)濾波器實(shí)現(xiàn)小型化并抑制諧波很有效果［1-4］。文獻(xiàn)［2-3］采用DGS優(yōu)化通帶和阻帶性能，回波損耗為-15 dB左右，帶外衰減為-20 dB，但阻帶寬度不夠。文獻(xiàn)［4］具有較寬的阻帶，但高頻段阻帶抑制度只達(dá)到-10 dB。已報(bào)道的文獻(xiàn)中，DGS主要用于抑制低階諧波而不是高階諧波，或者高階諧波的抑制度不夠好。文獻(xiàn)［5-6］中僅二次、三次諧波被抑制到-20 dB。文獻(xiàn)［7］中諧波抑制度比較好的達(dá)到-30 dB，但只抑制了二次諧波。文獻(xiàn)［8］中，高階四次諧波也只達(dá)到-19 dB。

本文提出了基于斜啞鈴型缺陷地抑制高階諧波的平行耦合帶通濾波器，在仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)物加工測(cè)試。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明所提出的濾波器可同時(shí)抑制二次、三次以及四次諧波，具有寬阻帶性且使濾波器的尺寸得到進(jìn)一步縮小。

1　DGS單元的特性分析

除了傳統(tǒng)的啞鈴型DGS以外，目前應(yīng)用于微波頻段的DGS具有多種形狀［9-10］。本文中采用的斜啞鈴型DGS（Slanted-DGS，S-DGS）［11］由兩個(gè)矩形缺陷結(jié)構(gòu)和一條細(xì)窄的耦合縫隙組成，兩個(gè)矩形對(duì)角放置，由垂直的縫隙相連，如圖1（a）所示。圖中陰影部分代表導(dǎo)體，其寬度與耦合縫隙的長(zhǎng)度一致。

采用ADS的Lincale工具設(shè)計(jì)微帶線寬度w= 1.9mm，特征阻抗為50 Ω?；宀捎肍R4板材，厚度為H=1 mm，相對(duì)介電常數(shù)為εr =4.4，介質(zhì)損耗角正切為0.01。

斜啞鈴型DGS具有單極點(diǎn)帶阻特性，可以等效為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振電路，如圖1（b）所示。等效電感L和等效電容C通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算［12］，

其中f0表示S-DGS單元的諧振頻率，fc為3 dB截止頻率，Z0為微帶線的特征阻抗。

為了計(jì)算所需要的等效電感L和等效電容C，使用ADS進(jìn)行仿真分析出諧振頻率與S-DGS尺寸的關(guān)系，如圖2所示?？梢?jiàn)，當(dāng)耦合縫隙保持不變時(shí)，矩形缺陷地結(jié)構(gòu)的尺寸越大，引入的等效電感值越大，從而使得諧振頻率越大。

圖2　S-DGS不同尺寸的頻率特性（g=0.1 mm）

2　基于S-DGS的帶通濾波器設(shè)計(jì)

作為對(duì)比，分別對(duì)MCL-BPF和提出的S-DGSBPF進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1傳統(tǒng)的MCL-BPF

濾波器的中心工作頻率2.4 GHz，帶寬60 MHz，帶內(nèi)波紋≦0.5 dB，采用三階帶通結(jié)構(gòu)。圖3（a）所示，由切比雪夫低通原型濾波器轉(zhuǎn)換為帶通濾波器，確定波紋為0.5 dB的3階切比雪夫?yàn)V波器的歸一化元件參數(shù)：g0=g4=1.000 0，g1=g3=1.596 3，g2=1.096 7。耦合傳輸線的奇、偶模的計(jì)算可通過(guò)下式［13-14］，

圖3　切比雪夫低通原型濾波器和MCL-BPF的俯視圖

其中，Z0e和Z0o分別表示耦合線的偶模阻抗和奇模阻抗。J為耦合線段間的耦合系數(shù)。

濾波器帶寬WB=（ωu-ωl）/ω0，ωu和ωl分別代表通帶的上下邊頻。利用式（3）~式（6）求得奇偶模阻抗后確定微帶線的長(zhǎng)，寬以及線間距。

MCL-BPF結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示，由三段平行耦合微帶線組成。設(shè)計(jì)參數(shù)為：εr=4.4，l=17.2，l1= 18.4，l2=18，w=1.9，w1=0.1，w2=0.22，s1=0.96，s2=1.47，單位均為mm。圖4為MCL-BPF的S參數(shù)仿真結(jié)果，可以看出較高階諧波分別出現(xiàn)在4.8GHz，7.2GHz和9.6GHz處，諧波頻率與中心頻率成倍數(shù)關(guān)系。

圖4　MCL-BPF的S參數(shù)仿真結(jié)果

2.2具有諧波抑制的S-DGS-BPF

采用五個(gè)斜啞鈴型DGS的帶通濾波器可有效地解決上述MCL-BPF遇到的諧波和尺寸較大的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)如圖5所示。各設(shè)計(jì)參數(shù)為：εr=4.4，l=17.2，l1=15.77，l2=15.42，w=1.9，w1=0.1，w2=0.22，s1=0.96，s2= 1.47，單位均為mm。

圖5　S-DGS-BPF的結(jié)構(gòu)圖

兩端的S-DGS尺寸較小為3 mm′3 mm，中間3個(gè)S-DGS稍大，為3.3 mm′3.3 mm，5個(gè)S-DGS分別刻蝕在微帶線的地平面上。耦合縫隙寬度保持不變d=0.1 mm，其長(zhǎng)度隨著不同微帶線的寬度而變化。由于加入DGS改變了等效電感，使得微帶線的有效電感值增加，從而微帶線電長(zhǎng)度相比傳統(tǒng)的濾波器增加，為了能在相同頻率下諧振，需減小傳輸線諧振器的物理結(jié)構(gòu)，此時(shí)耦合傳輸線的寬度與距離保持不變。改進(jìn)型S-DGS-BPF總尺寸為96.78 mm′9.32 mm，與傳統(tǒng)MCL-BPF的尺寸107.2 mm′9.32 mm相比縮小了約10%。

圖6所示為MCL-BPF與S-DGS-BPF的S參數(shù)仿真對(duì)比。S-DGS-BPF除主頻段以外的其他頻段為阻帶，沒(méi)有諧波出現(xiàn)，相比于MCL-BPF，引入DGS后的BPF具有寬阻帶性能。

圖6　MCL-BPF與S-DGS-BPF的S參數(shù)仿真結(jié)果對(duì)比

3　實(shí)測(cè)結(jié)果

在仿真的基礎(chǔ)上采用PCB工藝，以FR4為基板的實(shí)物加工如圖7所示。

圖7　MCL-BPF與S-DGS-BPF的實(shí)物圖

利用Agilent E8363C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)兩種濾波器進(jìn)行測(cè)試，圖8為S參數(shù)測(cè)試結(jié)果。圖8（a）表示回波損耗，可以看出本文提出的S-DGS-BPF在頻率f=2.66 GHz時(shí)具有最低回波損耗-26.93 dB。圖8（b）表示插入損耗，可以觀察到，在中心頻率2.66 GHz的通帶內(nèi)的插入損耗為-1.88 dB。表1為S-DGS-BPF及MCL-BPF的通帶與各次諧波的S21對(duì)比。對(duì)于二次諧波，傳統(tǒng)型濾波器的插入損耗為-13.84 dB，改進(jìn)型濾波器的插入損耗為-35.9 dB，提高了22.06 dB；三次和四次諧波抑制分別為-53.05 dB和-32.91 dB，提高了43.13 dB 和10.05 dB，說(shuō)明采用DGS可以有效地抑制高階諧波。

另外，改進(jìn)型濾波器相對(duì)傳統(tǒng)型濾波器的中心頻率略有偏離，這主要是由制作工藝的誤差引起的。

圖8　MCL-BPF與S-DGS-BPF的S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

表1　S-DGS-BPF（改進(jìn)型）與MCL-BPF（傳統(tǒng)型）的S21對(duì)比

4　結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種S-DGS微帶濾波器具有寬阻帶特性，可有效地抑制了高階諧波，且在通帶內(nèi)具有良好性能。S-DGS的慢波效應(yīng)使得微帶線的有效電長(zhǎng)度增加，從而減小了改善型濾波器的物理尺寸，

與MCL-BPF相比尺寸減小了約10%，在小型化濾波器設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。

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馮夢(mèng)璐（1991-），漢族，女，湖南岳陽(yáng)人，北京信息科技大學(xué)，碩士研究生，主要研究方向基于PCB的芯片無(wú)線互連微通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究，fml9159@126.com；

楊曙輝（1971-），漢族，男，黑龍江寶清人，中國(guó)傳媒大學(xué)，教授，主要從事射頻通信及高速電路信號(hào)完整性分析，huis?huyang@sina.com。

Design of New DC-DC Converter with Wide Output Voltage Range

SUN Baowen*

（Department of Mechanical and electronic Engineering，Guangdong Institute of Science and Technology，Zhuhai Guangdong 519090，China）

Abstract：A practical quadratic converter with output voltage range is proposed，and the converter works are ana?lyzed. The important puts of the main circuit such as power tubes，transformers，diodes，capacitors and output in?ductor are designed. According to the results of the design，the converter has been produced，those important com?ponent waveforms are observed by oscilloscope. By examining the efficiency of the prototype，full load efficiency reaches above 80%，the maximum duty cycle of 0.65，the correctness of the design is verified.

Key words：quadratic converter；wide voltage range；design；duty cycle；efficiency

doi：EEACC：1290B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.015

收稿日期：2015-04-21修改日期：2015-07-05

中圖分類號(hào)：TN713.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0067-05