标题:
一种新型的SIW-DGS宽带带通滤波器
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作者:
Bazinga
时间:
2015-8-21 20:12
标题:
一种新型的SIW-DGS宽带带通滤波器
1 引言
近年来基片集成波导作为一种新的导波结构被广泛应用到了微波及毫米波电路中。基片集成波导具有与传统矩形波导相近的特性，诸如品质因数高，易于设计等，同时也具有体积小，重量轻，易于加工和集成，造价低等传统矩形波导没有的优点。
由电磁带隙结构EBG发展而来的DGS是在微带、共面波导等传输线的接地金属板上刻蚀周期或非周期的各种栅格结构，以改变电路衬底有效介电常数的分布，从而改变基于该介质上传输线的分布电感和分布电容，获得慢波特性和禁带特性。DGS只需一个单元或少个周期结构就可产生明显的禁带特性，占用电路面积小，结构紧凑，等效电路易于分析。
本文将基片集成波导的高通传输特性和哑铃型DGS周期结构的低通传输特性结合，设计了一款新型的SIW-DGS宽带带通滤波器。通过设计和仿真，可以看出本文提出的SIW-DGS带通滤波器具有较宽的带宽，带外抑制度较好。
2 SIW-DGS宽带带通滤波器设计原理2.1 SIW的设计与仿真
基片集成波导（SIW）是在上下表面均为金属层的介质基片中相隔一定距离打两排金属通孔所形成的类矩形波导的导波结构 。 图1是设计中广泛采用的基于金属通孔阵列的SIW的几何结构图。合理地选择孔的尺寸和相邻孔的距离，就可以使得电磁波在上下金属面和两排通孔之间传播，其传播特性与矩形波导类似。
图1 基片集成波导-微带线转换器
文献6提出了一种新的SIW结构，如图2所示，它用周期排列的金属凹槽阵列代替了金属通孔阵列。这种新的结构能更有效地减少由缝隙泄露所引起的能量损耗；而且，只要金属凹槽的排列周期
s
足够小，就可将其等效为宽边尺寸近似等于两排槽内壁之间距离
a
的矩形波导，这样的等效关系更为直接，设计更加方便。
图2 新型SIW－微带线转换器
这种SIW金属凹槽的长度为
p
,宽度为
w
，两排金属凹槽内壁之间的距离为
a
，相邻槽之间的距离即排列周期为s。基片集成波导具有与矩形波导相似的传输特性，电磁波被限制在两排凹槽间的区域传播，只能传输TE
n0
模式。在保证s/a≤1/6，p/s≥8情况下，辐射损耗非常小，SIW可用矩形波导来等效，等效矩形波导的宽边尺寸近似为
a
。
本文设计的是宽带带通滤波器，所以选用一段微带线性渐变线作为SIW-微带转换结构。SIW-微带转换器的设计尺寸：
p
=3.7mm,
w
=0.5mm,
s
=0.4mm,
a
=23mm,
w
0
=2.7mm,
w
t
=4mm,
l
=7mm,
L
=16mm,利用仿真软件HFSS11进行三维电磁结构仿真得到的S参数曲线如图3所示。从图中可以看出SIW高通截止频率为3.8GHz。
图3 SIW－微带线转换器S参数曲线
2.2 DGS低通滤波器设计
经典的哑铃型DGS缺陷单元，如图4所示，由两个
a
1
×
b
1
的矩形和它们之间一个宽度为
g
1
的长方形缝隙组成。单个DGS单元具有单极点低通滤波器的带阻特性，可用并联LC电路来等效，等效电路如图5所示。DGS单元的谐振频率主要由上下两个矩形面积的大小决定，面积的大小影响微带线的等效电感。本文将两个哑铃型DGS单元级联形成低通滤波器，设计的DGS尺寸为
a
1
=1.5mm,
b
1
=1mm,
g
1
=0.1mm,
f
=10mm,
m
=2.5mm，微带线的宽度为
w
0
=2.7mm,介质板厚度为
h
=1mm，介电常数为2.56。
图4 哑铃型DGS 图5 单元等效电路
利用HFSS11软件仿真得到的S参数曲线如图6所示，低通滤波器的截止频率为5.75GHz，边带陡峭，阻带较深，带外抑制在较宽阻带范围内大于25dB。
图6 DGS低通滤波器S参数曲线
2.3 SIW-DGS宽带带通滤波器的设计
如图7所示，在SIW结构两端对称地级联两个哑铃型DGS低通滤波器，形成了宽带带通滤波器
[8]
。基片集成波导的截止频率应低于哑铃型DGS的截止频率
[9]
，调整各个结构的尺寸，仿真得到的带通滤波器的S参数曲线如图8所示。
图7 SIW－DGS宽带带通滤波器结构
表1 SIW－DGS宽带带通滤波器尺寸
介质基片
εr
=2.65,
h
=1mm
SIW尺寸(mm)
a
=25,
wt
=4,
L
=16,
l
=6
p
=3.7,
w
=
s
=0.4,
w0
=2.7
DGS尺寸(mm)
a1
=1,
b1
=1,
f
=8
m
=2.5,
g1
=0.2
SIW与DGS结构之间通过共用介质基片及金属地板来构成带通滤波器。经过调整，带通滤波器的尺寸为表1所示，由仿真结果可以看出滤波器的中心频率为4.5GHz，通带范围为3.2～5.8GHz，带宽较宽，相对带宽达到57%，带内3.5GHz～5.2GHz范围内插损小于0.5dB,带外抑制在较宽阻带范围内大于20dB。
图8 SIW－DGS宽带带通滤波器S参数曲线
3 结论
本文提出了一种新颖的SIW-DGS宽带带通滤波器，仿真结果表明该滤波器具有较宽的通带，带内插损小，带外抑制较高。这种滤波器结构紧凑，易于加工和集成，在微波通信领域有着广泛的应用前景。
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