基于微帶和DGS耦合的諧振器及帶通濾波器設(shè)計(jì)

0 引言

隨著微帶線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，各種微帶線(xiàn)諧振器在微帶電路中發(fā)揮著重要作用，傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)諧振器由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而被廣泛使用，但其色散曲線(xiàn)是線(xiàn)性的，尺寸會(huì)受到諧振頻率的限制(只能為λ／2)，為此，本文提出了一種基于微帶線(xiàn)和DGS相互耦合的左手傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的色散曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，其諧振器的尺寸可以達(dá)到λ／ll，比傳統(tǒng)諧振器尺寸有很大減小。

1 諧振器設(shè)計(jì)

微帶線(xiàn)諧振器的諧振頻率取決于其相位φ(f)。對(duì)于傳統(tǒng)微帶線(xiàn)諧振器，當(dāng)φ(f)=β(f)d=nπ，n=l，2，3……，時(shí)，通常會(huì)發(fā)生諧振，其中β(f)為傳輸線(xiàn)的傳播常數(shù)，d為傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度，此時(shí)，傳統(tǒng)諧振器的色散曲線(xiàn)是線(xiàn)性的，其諧振頻率只能是f0或f0的整數(shù)倍。而左手結(jié)構(gòu)的相位φ(f)=β(f)d=nπ，n=0，±1，±2……，的色散曲線(xiàn)如圖1所示，它是非線(xiàn)性的，其諧振頻率不受諧振器長(zhǎng)度的限制。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中元件的參數(shù)，可以調(diào)節(jié)其諧振頻率，而且fn也可以為任意頻率。

若d為一單元諧振器的長(zhǎng)度，N為級(jí)連的單元數(shù)，為串聯(lián)諧振頻率，為并聯(lián)諧振頻率，那么，當(dāng)時(shí)，一般沒(méi)有禁帶，即為f0。實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的方法主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是通過(guò)叉指結(jié)構(gòu)結(jié)合過(guò)孔的方法，此方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際制作要求較高；另一類(lèi)是利用CPW共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該方法制作簡(jiǎn)單，串聯(lián)電容和并聯(lián)電感都易于實(shí)現(xiàn)。但尺寸較大，且難于集成。本文結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)給出了一種新的傳輸線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)模型，圖2所示為新傳輸線(xiàn)單元的結(jié)構(gòu)圖。

圖2中的灰色為下層地，黑色為上層微帶線(xiàn)，白色為地上刻去的空隙，上下層之間為介質(zhì)。

其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：a=5．68 mm，b=4．4 mm，L=1．73 mm．d=4．2 mm，e=1．4 mm。介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr為9．2，厚度h為1 mm，介質(zhì)損耗正切角為0．0008；輸入阻抗Z0為50 Ω。

串聯(lián)電容(即MIM電容)由微帶線(xiàn)與CPW中心導(dǎo)帶耦合得到，并可由C=εS／d計(jì)算得出，它較好的替代了常用的、結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜的叉指電容，從而使串聯(lián)電容部分不受制造工藝精度的限制，而且很容易得到相對(duì)較大的電容值，從而明顯的縮小單元尺寸。并聯(lián)電感則可由基板下表面CPW中心導(dǎo)帶并通過(guò)很細(xì)的短截線(xiàn)連接到接地面，從而形成的短路短截線(xiàn)可直接影響諧振器的中心諧振頻率。此方法與傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法(打孔)相比較，其制作更加簡(jiǎn)單，損耗小，易于實(shí)現(xiàn)；并聯(lián)電容可由共面波導(dǎo)與地之間的縫隙電容產(chǎn)生。

兩段微帶線(xiàn)之間存在的縫隙電容可根據(jù)數(shù)值求解方法及模型的主要參數(shù)而求得，其值約為0．03 pF，可見(jiàn)其電容值相當(dāng)小。初步分析給出的單元結(jié)構(gòu)等效電路如圖3所示。

圖3中，因?yàn)镃g為間隙電容，其準(zhǔn)確數(shù)值與CL相比可以忽略不計(jì)，在電路中起的作用相當(dāng)于隔離電路，主要引導(dǎo)電流流動(dòng)路徑，影響電磁波的傳播，其等效電路圖在一定頻率范圍內(nèi)可進(jìn)一步等效為圖4所示的結(jié)構(gòu)。

其傳播常數(shù)可由下式得到：

根據(jù)Smith的傳輸矩陣法，可進(jìn)一步利用S參數(shù)得到色散曲線(xiàn)的公式：

其中，p為單元長(zhǎng)度，N為級(jí)連的單元個(gè)數(shù)，通過(guò)IE3D軟件對(duì)圖2所示的諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，再利用公式，所得到的色散曲線(xiàn)如圖5所示。

通過(guò)圖5可見(jiàn)，在5．7～6．1 GHz之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)禁帶，其他頻段則為通帶。另外，對(duì)圖2所示的結(jié)構(gòu)，在微帶線(xiàn)與耦合結(jié)構(gòu)單元之間開(kāi)一條寬度為0．2 mm的縫隙，便可以得到基于該傳輸線(xiàn)的諧振器，該結(jié)構(gòu)下的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖6所示。

由該傳輸特性曲線(xiàn)可以看到，在中心諧振頻率6．1 GHz處，其插入損耗約為-1dB，回波損耗為-32dB，可見(jiàn)其諧振特性良好。將此與傳輸線(xiàn)的色散曲線(xiàn)相比較，可在f=6．1 GHz附近出現(xiàn)，繼續(xù)增加諧振器單元數(shù)目，諧振頻率將增加，當(dāng)N=3時(shí)，其傳輸特性如圖7所示。

由圖7可以看到，在附近，，f1=6．7 GHz，對(duì)應(yīng)于圖5所示的色散曲線(xiàn)，當(dāng)級(jí)連單元數(shù)N=3，βp／π=0．33時(shí)，Nβp／π=1所對(duì)應(yīng)的頻率即為一階諧振頻率，其頻率約為6．7 GHz(見(jiàn)圖5)，該結(jié)果與仿真結(jié)果一致。對(duì)于一單元諧振器，通過(guò)改變短路短截線(xiàn)的長(zhǎng)度L，可以改變諧振器的中心諧振頻率。圖8所示是其諧振頻率隨L的變化曲線(xiàn)。

在單元長(zhǎng)度為4．4 mm的情況下，諧振器的諧振頻率可以達(dá)到2．5 GHz，在相同介質(zhì)的條件下，其波導(dǎo)波長(zhǎng)為46．8 mm，諧振器單元長(zhǎng)度約為1／11波長(zhǎng)，比傳統(tǒng)半波長(zhǎng)或l／4波長(zhǎng)的諧振器尺寸有很大減小。

2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

根據(jù)上面所設(shè)計(jì)的傳輸線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)，再通過(guò)簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)方式，即可制作帶通濾波器。其級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖10所示是該結(jié)構(gòu)下三單元濾波器的S參數(shù)曲線(xiàn)。

由該傳輸特性曲線(xiàn)可以看到，在中心諧振頻率為3．5 GHz處，其插入損耗約為-1 dB，回波損耗為-20 dB，而且其截止特性陡峭，通帶內(nèi)有較好的衰減特性。此外，通過(guò)改變短路短截線(xiàn)和級(jí)連微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度和寬度，還可以改變其中心諧振頻率和帶寬。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，核心結(jié)構(gòu)體積小，加工精度要求低，而且加工簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。其諧振器結(jié)構(gòu)緊湊，長(zhǎng)度比傳統(tǒng)諧振器有很大減小，通過(guò)簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)，所設(shè)計(jì)的濾波器性能良好。