CN109216838B - 改进的缺陷地结构低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的缺陷地结构低通滤波器。本发明采用了特殊的两阶阶跃阻抗结构单元，该阶跃阻抗单元采用窄矩形连接六边形结构单元的结构模式，可以在不减小荷载Q的情况下缩短阶跃阻抗结构单元的长度，在结构和设计上有很大的自由度，容易实现微波器件的小型化。此外，本发明优化了底部的缺陷地结构，改变可衬底材料的有效介电常数分布，进而影响接地板的电流分布和微带传输线的传输特性。发明的这种缺陷地结构通过提高低通滤波器的高阻抗频率宽度和带外抑制强度，来改善低通滤波器的低通滤波特性。而且，这种缺陷地结构，结构比较简单，便于电磁场理论分析和等效电路建模分析，更适合集成电路实际应用的优点。

Description

改进的缺陷地结构低通滤波器

技术领域

本发明属于微波技术领域，尤其是一种缺陷地结构低通滤波器。

背景技术

随着现代通讯技术的发展,市场对通讯设备的效率以及抗干扰的要求越来越高,也相应的引发了对高性能微波器件的研究。低通滤波器能够抑制谐波信号和干扰信号，为通信统提供合适的工作带宽。传统的低通滤波器结构尺寸大，选择性差，而且带外抑制能力不强，很难抑制干扰信号和高次谐波信号。通过近年的研究，国际上提出了光子带隙结构(PBG，Photonic Bandgap)、阶跃阻抗的级联结构、可调的滤波器结构、以及电磁带隙结构(EBG，Electromagnetic Bandgap)等一系列新型结构来解决上述的这些问题。虽然这些结构对滤波器的通带带宽和带外阻抗抑制有一定的改善，但是，这些结构的设计和加工比较复杂，在工程上的推广和应用难度较大。

缺陷地结构(DGS，Defected Ground Structure)和电磁带隙结构类似，都是通过在微带线的接地板上刻蚀缺陷图形来改变衬底材料的有效介电常数分布，进而影响接地板的电流分布和微带传输线的传输特性。EBG结构需要加载周期性结构，建模设计和加工比较复杂，不易小型化。而且EBG结构的带阻特性参数容易受多种条件影响，所以EBG结构的微波器件性能也不稳定。DGS结构的微带线具有带阻特性和慢波特性，和EBG相比，DGS结构不需要周期性结构，结构相对简单。而且，DGS结构微带线的等效电路和电磁场分布也更容易建模分析，便于设计、加工和应用，更容易实现微波器件和射频电路的小型化。因此，新型缺陷地结构微波器件设计技术的发展对小型化集成化微波电路系统有着迫切的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种改进的缺陷地结构低通滤波器，它具有易集成，尺寸紧凑，设计简易，成本低等优点。便于机械加工和批量生产，能极大地促进行业的发展。

本发明是这样实现的：改进的缺陷地结构低通滤波器，包括介质基板，在介质基板的上表面设有阶跃阻抗单元结构，阶跃阻抗单元结构每侧均为两阶，每个阶跃阻抗单元结构都由矩形和与矩形连接的六边形结构组成，每个阶跃阻抗单元结构的矩形结构部分和六边形结构部分组成，其尺寸满足阻抗比要求，并连接在传输线上；在介质基板的下表面设有金属接地层，在金属接地层的中部区域设有缺陷地结构，该缺陷地结构的组成包括一个纵向矩形槽及三个相互平行的横向矩形槽，横向矩形槽与纵向矩形槽相互交错，纵向矩形槽及横向矩形槽均直接通至介质基板的下表面。

阶跃阻抗单元结构及金属层厚度均为0.1mm。

介质基板的材料为Rogers Ro4003介质基板材料，相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.81mm。其具有较低的介质损耗，导带金属与基板截止黏附力好等特点。

由于采用了上述技术方案，本发明采用了特殊的两阶阶跃阻抗结构单元，该阶跃阻抗单元采用由窄矩形结构和窄矩形结构连接的六边形形状结构的结构模式，可以在不减小荷载Q的情况下缩短阶跃阻抗结构单元的长度，在结构和设计上有很大的自由度，容易实现微波器件的小型化。此外，本发明优化了底部的缺陷地结构，改变可衬底材料的有效介电常数分布，进而影响接地板的电流分布和微带传输线的传输特性。发明的这种缺陷地结构通过提高低通滤波器的高阻抗频率宽度和带外抑制强度，来改善低通滤波器的低通滤波特性。而且，这种缺陷地结构，结构比较简单，便于电磁场理论分析和等效电路建模分析，更适合集成电路实际应用的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的仰视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本发明的DGS结构低通滤波器的等效电路模型；

图5为本发明的缺陷地结构低通滤波器的等效电路仿真和HFSS仿真；

图6为本发明的缺陷地结构低通滤波器HFSS仿真与实测结果图。

具体实施方式

本发明的实施例：改进的缺陷地结构低通滤波器，包括介质基板1，在介质基板1的上表面设有阶跃阻抗单元结构2，阶跃阻抗单元结构2每侧两阶，每个阶跃阻抗单元结构2由矩形结构部分2-1和六边形结构部分2-2组成，每个阶跃阻抗单元结构2的矩形结构部分和六边形结构部分满足设计时的阻抗比要求，并阶跃阻抗单元结构2通过其矩形结构部分2-1连接在传输线上；在介质基板1的下表面设有一层金属接地层3，在金属接地层3的中部区域开槽设计成缺陷地结构4，该缺陷地结构4的组成包括一个纵向矩形槽及三个相互平行的横向矩形槽，横向矩形槽与纵向矩形槽相互交错，纵向矩形槽及横向矩形槽均直接通至介质基板1的下表面。阶跃阻抗单元结构2及金属层3厚度均为0.1mm。

介质基板1的材料为Rogers Ro4003介质基板材料，相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027。其具有较低的介质损耗，导带金属与基板截止黏附力好等特点。

本实施例中，介质基板1选用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的RogersRo4003介质基板材料。该介质基板具有较低的介质损耗，导带金属与基板截止黏附力好等特点，非常适合作为发明的低通滤波器的介质基板。介质基板1的选取很重要，它是输入输出信号的传播载体，直接影响着信号的传输损耗，微波器件的尺寸大小，以及射频电路功率容量等重要参数。所以，需要综合考虑介质基板的选择，具体包括介质基板的材料选择和尺寸大小选择。选用厚度为h＝0.81mm，本实施例的介质基板1的尺寸设计为a×b＝35mm×28mm。

本发明的缺陷地结构4通过改变衬底材料的有效介电常数分布，使得由DGS结构构成的微带线具有带阻特性和慢波特性，进而影响接地板的电流分布和微带传输线的传输特性。这种缺陷地结构通过提高低通滤波器的高阻抗频率宽度和带外抑制强度，来改善低通滤波器的低通滤波特性。而且，发明的这种缺陷地结构，结构比较简单，便于电磁场理论分析和等效电路建模分析，更适合集成电路实际应用的优点。

在图2和图3中，发明的缺陷地结构4低通滤波器主要结构尺寸参数如表1所示。

表1发明的缺陷地结构低通滤波器主要结构尺寸参数(单位:mm)

利用ADS(Advanced designer Summer)建立等效电路模型，DGS结构低通滤波器的等效电路模型如图4所示。等效电路中的L₁，L₃和C₁，C₂，C₃是阶跃阻抗结构单元的等效电感和等效电容。其中C₄和L₃组成的阻抗电路控制着缺陷地结构4低通滤波器的陷波点的位置。研究结构单元的等效电路模型，为进一步设计缺陷地结构低通滤波器奠定了理论基础。

本发明的等效电路输入输出端口接50欧姆匹配电路，等效电路元件参数如表2所示。

表2缺陷地结构体统滤波器的等效电路元件参数表

本发明的ADS仿真结果与ANSOFT HFSS仿真结果对比如图5所示。测试结果表明等效电路的仿真结果和ANSOFT HFSS仿真结果在一定程度上有较好的一致性。

本发明的测试结果和ANSOFT HFSS仿真结果如图6所示。从图中滤波器的回波损耗曲线S₁₁和插入损耗曲线S₂₁可以看出，发明的滤波器通带宽度为0GHz～1.4GHz。缺陷地结构滤波器的带外抑制频率宽度达2.1GHz～11GHz，阻带范围内带外抑制能力大于15dB，大大提高了缺陷地结构低通滤波器的滤波特性。

本发明提供的尺寸设计及参数仅是一种具体例子，本领域技术人员根据参数需求对尺寸进行适应的修改。

Claims (2)

1.一种改进的缺陷地结构低通滤波器，包括介质基板(1)，其特征在于：在介质基板(1)的上表面设有阶跃阻抗单元结构(2)，阶跃阻抗单元结构(2)每侧均为两阶，每个阶跃阻抗单元结构(2)由一个矩形结构部分(2-2)和一个六边形结构部分(2-1)组成，其尺寸满足阻抗比要求，并连接在传输线上；其中，六边形结构部分(2-1)从平面上看是由一个矩形和一个梯形组成，该梯形的长边与该矩形的长边重合，而矩形结构部分(2-2)是与六边形结构部分(2-1)中的矩形部分的长边连接；在介质基板(1)的下表面设有金属接地层(3)，在金属接地层(3)的中部区域设有缺陷地结构(4)，该缺陷地结构(4)由一个纵向矩形槽及三个相互平行的横向矩形槽组成，横向矩形槽与纵向矩形槽相互交错，纵向矩形槽及横向矩形槽均直接通至介质基板(1)的下表面，并且该缺陷地结构(4)是以中间的横向矩形槽的水平中线为轴上下对称分布。

2.根据权利要求1所述的改进的缺陷地结构低通滤波器，其特征在于：介质基板(1)的材料为Rogers Ro4003介质基板材料，相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.7-0.9mm。

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