一种小型DMS低通滤波器

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引言

近年来出现的缺陷微带结构(Defected Microstrip Structure,DMS,过去曾称为EBG)凭借阻带宽、体积小的优势受到国内外专家学者的高度关注,它是直接在微带线上蚀刻出高电感高电容,因而易于加工实现。利用其高电感高电容低通带阻特性设计出的低通滤波器可以用于功率放大器[1]、混频器[2,3]等微波有源器件的谐波抑制。

在L、S波段,国内外专家和学者对DMS结构在低介电常数基板材料上做了大量的研究工作,在更高频段,高介电常数基板上的有关报道较少。为了实现将DMS的宽阻带,小尺寸特性应用于高频段,高介电常数材料,有必要对其进行做新的探讨。

1、DMS结构特性

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图1、DMS结构T形单元

DMS结构单元如图1,微带介质为三层Ferro-A6M生瓷带材料,每层生瓷带烧结后厚度为0.096mm,三层厚0.288mm,该材料相对介电常数εr=5.9,损耗角正切tanδ=0.0015。两端50Ω微带线宽0.43mm,蚀刻DMS处低阻抗微带线用于补偿DMS高阻抗特性,以实现滤波器50Ω匹配阻抗,低阻抗补偿段选用34Ω微带线宽0.82mm。利用HFSS(High Frequency Sructrue Simulator)仿真分析,T形单元“一横”缝隙宽度对传输性能的影响不大,我们变化T形单元“一横”缝隙的长度,从仿真分析图2得出,DMS T形单元有带阻低通特性,谐振频率随T形“一横”缝隙长度增加而减小。谐振频率随T形“一竖”长度增加而减小,如图3。图4表明,T形“一竖”宽度增加,谐振频率增大。

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图2、DMS T形单元传输系数随“一横”长度L变化特性

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图3、DMS T形单元传输系数随“一竖”长度L1变化特性

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图4、DMS T形单元传输系数随“一竖”宽度G变化特性

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图5、DMS结构T形单元LC等效电路

由仿真结果可以看出T形单元具有低通带阻,单极点谐振特性,相关文献[4-7]对其等效电路做了很有价值的工作,单个T形单元可等效为L,C并联的带阻滤波器,由前面EM电磁仿真得到的传输系数S21可提取出:

         (1)
             (2)

式中ωc为3dB截止频率,ω0为谐振频率,Z0为滤波器的特性阻抗。

用式(1)(2)提取出L,C,在ADS软件中分析得到等效电路传输系数,图6为单个T形单元电磁仿真与等效电路分析的传输系数比较,可以看出,该等效的整体幅频响应与电磁仿真结果吻合良好。

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图6、EM仿真与等效电路传输系数(圆为电路S21)

该等效模型也从物理意义上很好的解释了图2到图4的变化特性,T形单元“一横”缝隙上方细导线表现的主要特性是等效电路中的电感L,T形单元“一竖”缝隙表现的主要特性是等效电路中的电容C。T形单元一横”缝隙长度增加,电感值L增加,故谐振频率下降;T形单元“一竖”缝隙长度增加,相当于等效电路中电容值C增加,故也会导致谐振频率下降;T形单元“一竖”缝隙宽度增加,电容值减小,故谐振频率升高。

2、DMS低通滤波器设计

为了扩展阻带宽度,级联两个T形单元图7,通过调整单个T形单元的结构参数以及它们之间的距离获得如图  8散射参数。由仿真曲线可以看出通带插损0.2dB,回波损耗大于19dB,对本振二次谐波19.6GHz抑制20dB,抑制大于30dB的频率范围为22GHz~30GHz。

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图7、两个DMS T形单元级联

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图8、两个DMS T形单元散射参数

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图9、五个DMS T形单元LPF

图10、HL高低(HL)阻抗线LPF版图

为了进一步增大阻带抑制和阻带带宽,将T形单元增加到五个组成本振端LPF (Low Pass Filter),结构如图  9,通过参数优化阻带增加了6GHz,结果如图  10,对二次本振频率,三次本振频率及20GHz~36GHz的混频谐波杂波达到30dB的抑制,通带插损为0.3dB,回波损耗大于19dB,尺寸仅为5.7mm×1.7mm。

同时,为了对比说明该滤波器的性能与尺寸,我们在电路中设计了一款7阶切比雪夫高低阻抗线低通滤波器,如图10,其尺寸为8.4mm×3.4mm,其性能参数如图11所示,可见DMS低通滤波器体积较高低阻抗LPF减小66%,大于30dB抑制阻带带宽增加约5GHz。

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图11、DMS T形单元LPF与HL高低(HL)阻抗线LPF性能对比

3、结论

从简单T形DMS单元入手,给出了其物理上的定性解释和尺寸变化对频率响应的影响。最后基于LTCC基板,通过逐步增加T形单元设计了一款截止频率为13GHz的低通滤波器。与高低阻抗线LPF比较,体积减小66%,阻带增加5GHz。

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