基于DGS微带低通滤波器的改进设计
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摘要 按照传统方法设计了一个截止频率为3 GHz，通带波纹不大于0．5 dB。利用缺陷地单元(DGS)的带阻特性对传统设计方法进行了改进，改进后的滤波器完全满足设计要求，并使滤波器尺寸大幅减小。
关键词 低通滤波器；DGS单元；微带线
滤波器是通信系统中重要器件之一，在信号收发装置中可滤除寄生干扰，实现信道选择，可选择性地让具有某些频率的信号通过，抑制不需要的率信号，保证通信的准确无干扰，对通信系统的整体性能起着重要作用。目前移动通信和无线通信系统都趋向设备小型化、低能耗、低成本方向发展。随着微电子工艺的发展，通信系统中许多部件可以集成在一起，惟有滤波器和天线要使用外接独立元件，滤波器的小型化和集成化显得尤为迫切。
文中通过分析半圆形缺陷地单元的带阻特性，提出了一种新的改进方案，用两个半圆形缺陷地单元代替滤波电路中的电感，使滤波电路中节省了两个单位单元，使滤波器电路结构紧凑。与传统方法相比，在保证性能的情况下，外形尺寸减小了40％，更能适应微波器件小型化的趋势。
1 低通滤波器的设计
微带线重量轻、体积小、结构简单、便于集成，广泛应用于各种通信电路中。文中使用微带线设计了一个截至频率为3 GHz的低通滤波器，通带内波纹为0．5 dB，带外6 GHz处的衰减≥20 dB。
文中选用5阶0．5 dB等波纹的契比雪夫滤波电路，采用的首个元件为并联电容滤波电路。通过查契比雪夫滤波器电路的参数表可以确定g1=1．703 8，g2=1．229 6，g3=2．504 8，g4=1．229 6，g5=1．703 8。用并联终端开路、长度为λ0／8的传输线替代电容；用终端短路、长度为λ0／8的微带线代替电感；采用归一化频率，通过式
可得传输线的阻抗分别为Z1=Z5=0．586 2 Ω，Z2=Z4=1．229 6 Ω，Z1=0．393 6 Ω。采用Kuroda规则进行电路变换，将串联的两段终端短路的传输线变换为终端开路的传输线，再插入单位单元将传输线两两分开。最后从归一化变换为50 Ω，即把电路的阻抗扩大50倍。把微带线的介质厚度设定为1 mm，介电常数设为2．7，根据微带线的特性阻抗计算公式可以算出各个终端开路的传输线宽度和3 GHz频率的λ0／8的
长度l，计算结果如表1所示，滤波器结构如图1所示。
2 DGS单元
DGS单元是在微带线下方接地金属板上蚀刻两个对称的正方形，中间用狭窄的沟槽相连。这里采用半圆形DGS，该单元可以等效一个串联的并联LC谐振电路，根据微波电路理论可以计算得出等效谐振电路的电容电感如下
式中，ωc为3 dB的截止频率；ω0为阻带的谐振频率；Z0为微带线的特性阻抗。
半圆形DGS单元蚀刻半径的大小和沟槽的宽度不同，等效谐振电路的电容和电感也会产生变化，从而改变DGS的阻带频率。文中使用HFSS10分析DGS单元的半径、沟槽宽度和阻带频率的关系。
2．1 DGS单元的半径和阻带频率的关系
保持沟槽宽度W=0．3 mm不变，使DGS单元的半径在2～4 mm以步长0．5 mm变化，分析DGS单元的S21参数。如图2所示，随着半径的不断增大，DGS的阻带频率不断降低。这是因为随着半径增大，等效谐振电路的电感也增大，致使DGS的阻带频率降低。
2．2 DGS单元沟槽宽度及阻带频率关系
保持半径R=3 mm不变，使沟槽宽度从0．2～0．5 mm以步长0．1 mm增大，分析DGS单元的S21参数。如图3所示，随着沟槽宽度的增大，DGS的阻带频率不断增大。
从上述分析可知，半圆型DGS的谐振频率与半径R和槽道宽度W有关。谐振频率与半径R成反比，与槽道宽度W成正比。可以通过改变DGS的缺陷半径和槽道宽度改变等效电感和等效电容，从而改变谐振频率来实现所需的特性。
3 低通滤波器的改进和仿真
文中设计思路是用DGS单元替代传统低通滤波器的电感，利用DGS单元的带阻特性能抑制高次谐波，拓宽滤波器的阻带宽度。同时，可以减少传统设计方法的单位单元，有效减小滤波器的尺寸。改进的滤波器结构如图4所示。利用HFSS10的仿真优化功能，可以确定各传输线和DGS单元的尺寸如表2所示。其中缺陷地单元的槽宽W为0．3mm，半圆半径R为3．27mm。
使用HFSS10对改进前后的滤波器进行仿真计算，改进前后滤波器的S参数如图5和图6所示，对比图5和图6可以发现，改进后滤波器与传统方法设计的滤波器在性能方面没有明显差异，验证了滤波器改进方法的可行性。
4 结束语
文中按照传统方法设计了一个截止频率为3 GHz的低通滤波器，利用DGS的带阻特性，有效滤除了高次谐波，对传统低通滤波器的设计进行了改进，在保证滤波器性能的前提下减小了滤波器的尺寸。对比前后的尺寸可以看出，由7．9cm减小到4．56cm，尺寸减小了40％。
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