搜索原創(chuàng)干貨|一種小型DMS低通濾波器設(shè)計(jì)
2017-02-14 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
西安空間無線電技術(shù)研究所
近年來出現(xiàn)的缺陷微帶結(jié)構(gòu)(Defected Microstrip Structure,DMS,過去曾稱為EBG)憑借阻帶寬、體積小的優(yōu)勢(shì)受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的高度關(guān)注,它是直接在微帶線上蝕刻出高電感高電容,因而易于加工實(shí)現(xiàn)。利用其高電感高電容低通帶阻特性設(shè)計(jì)出的低通濾波器可以用于功率放大器[1]、混頻器[2,3]等微波有源器件的諧波抑制。
在L、S波段,國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)DMS結(jié)構(gòu)在低介電常數(shù)基板材料上做了大量的研究工作,在更高頻段,高介電常數(shù)基板上的有關(guān)報(bào)道較少。為了實(shí)現(xiàn)將DMS的寬阻帶,小尺寸特性應(yīng)用于高頻段,高介電常數(shù)材料,有必要對(duì)其進(jìn)行做新的探討。
圖1、DMS結(jié)構(gòu)T形單元
DMS結(jié)構(gòu)單元如圖1,微帶介質(zhì)為三層Ferro-A6M生瓷帶材料,每層生瓷帶燒結(jié)后厚度為0.096mm,三層厚0.288mm,該材料相對(duì)介電常數(shù)εr=5.9,損耗角正切tanδ=0.0015。兩端50Ω微帶線寬0.43mm,蝕刻DMS處低阻抗微帶線用于補(bǔ)償DMS高阻抗特性,以實(shí)現(xiàn)濾波器50Ω匹配阻抗,低阻抗補(bǔ)償段選用34Ω微帶線寬0.82mm。利用HFSS(High Frequency Sructrue Simulator)仿真分析,T形單元“一橫”縫隙寬度對(duì)傳輸性能的影響不大,我們變化T形單元“一橫”縫隙的長(zhǎng)度,從仿真分析圖2得出,DMS T形單元有帶阻低通特性,諧振頻率隨T形“一橫”縫隙長(zhǎng)度增加而減小。諧振頻率隨T形“一豎”長(zhǎng)度增加而減小,如圖3。圖4表明,T形“一豎”寬度增加,諧振頻率增大。
圖2、DMS T形單元傳輸系數(shù)隨“一橫”長(zhǎng)度L變化特性
圖3、DMS T形單元傳輸系數(shù)隨“一豎”長(zhǎng)度L1變化特性
圖4、DMS T形單元傳輸系數(shù)隨“一豎”寬度G變化特性
圖5、DMS結(jié)構(gòu)T形單元LC等效電路
由仿真結(jié)果可以看出T形單元具有低通帶阻,單極點(diǎn)諧振特性,相關(guān)文獻(xiàn)[4-7]對(duì)其等效電路做了很有價(jià)值的工作,單個(gè)T形單元可等效為L(zhǎng),C并聯(lián)的帶阻濾波器,由前面EM電磁仿真得到的傳輸系數(shù)S21可提取出:
(1)
(2)
式中ωc為3dB截止頻率,ω0為諧振頻率,Z0為濾波器的特性阻抗。
用式(1)(2)提取出L,C,在ADS軟件中分析得到等效電路傳輸系數(shù),圖6為單個(gè)T形單元電磁仿真與等效電路分析的傳輸系數(shù)比較,可以看出,該等效的整體幅頻響應(yīng)與電磁仿真結(jié)果吻合良好。
圖6、EM仿真與等效電路傳輸系數(shù)(圓為電路S21)
該等效模型也從物理意義上很好的解釋了圖2到圖4的變化特性,T形單元“一橫”縫隙上方細(xì)導(dǎo)線表現(xiàn)的主要特性是等效電路中的電感L,T形單元“一豎”縫隙表現(xiàn)的主要特性是等效電路中的電容C。T形單元一橫”縫隙長(zhǎng)度增加,電感值L增加,故諧振頻率下降;T形單元“一豎”縫隙長(zhǎng)度增加,相當(dāng)于等效電路中電容值C增加,故也會(huì)導(dǎo)致諧振頻率下降;T形單元“一豎”縫隙寬度增加,電容值減小,故諧振頻率升高。
為了擴(kuò)展阻帶寬度,級(jí)聯(lián)兩個(gè)T形單元圖7,通過調(diào)整單個(gè)T形單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及它們之間的距離獲得如圖 8散射參數(shù)。由仿真曲線可以看出通帶插損0.2dB,回波損耗大于19dB,對(duì)本振二次諧波19.6GHz抑制20dB,抑制大于30dB的頻率范圍為22GHz~30GHz。
圖7、兩個(gè)DMS T形單元級(jí)聯(lián)
圖8、兩個(gè)DMS T形單元散射參數(shù)
圖9、五個(gè)DMS T形單元LPF
圖10、HL高低(HL)阻抗線LPF版圖
為了進(jìn)一步增大阻帶抑制和阻帶帶寬,將T形單元增加到五個(gè)組成本振端LPF (Low Pass Filter),結(jié)構(gòu)如圖 9,通過參數(shù)優(yōu)化阻帶增加了6GHz,結(jié)果如圖 10,對(duì)二次本振頻率,三次本振頻率及20GHz~36GHz的混頻諧波雜波達(dá)到30dB的抑制,通帶插損為0.3dB,回波損耗大于19dB,尺寸僅為5.7mm×1.7mm。
同時(shí),為了對(duì)比說明該濾波器的性能與尺寸,我們?cè)陔娐分性O(shè)計(jì)了一款7階切比雪夫高低阻抗線低通濾波器,如圖10,其尺寸為8.4mm×3.4mm,其性能參數(shù)如圖11所示,可見DMS低通濾波器體積較高低阻抗LPF減小66%,大于30dB抑制阻帶帶寬增加約5GHz。
圖11、DMS T形單元LPF與HL高低(HL)阻抗線LPF性能對(duì)比
從簡(jiǎn)單T形DMS單元入手,給出了其物理上的定性解釋和尺寸變化對(duì)頻率響應(yīng)的影響。最后基于LTCC基板,通過逐步增加T形單元設(shè)計(jì)了一款截止頻率為13GHz的低通濾波器。與高低阻抗線LPF比較,體積減小66%,阻帶增加5GHz。
本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術(shù)》雜志 2016微波技術(shù)?？?未經(jīng)允許謝絕轉(zhuǎn)載。
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