基于DGS对称开口谐振环的低通滤波器设计

1 引言
　　DGS是指在微带线等传输线的金属地平面上蚀刻周期性或非周期性的各种栅格的平面结构，通过改变地板电流分布的从而改变传输线的传输特性。DGS自1999年J.I.Park等学者在光子带隙结构（Photonic band-gap， PBG）的基础上提出后，已经被应用于滤波器和功率放大器等射频器件设计。近年来DGS在微带电路设计中的应用已经成为研究的热点。它具有以下优点：首先，结构简单且易于仿真和实际加工。其次，具有足够宽的阻带特性和慢波效应，在放大器设计中可以用来抑制二次甚至高次谐波，同时还可以减小电路尺寸。第三，插入损耗小。许多滤波器采用DGS可以在特定的通带内实现较小的插损。
　　DGS与微带线结合，通过地板的刻蚀一定的几何结构而产生谐振特性，其中DGS单元的谐振频率可以通过改变几何结构的形状和大小来控制，传统的DGS谐振器有哑铃状、三角形、圆形、L形和开口谐振环等不同结构。但是以上结构都存在一定的问题，如阻带宽度较低，只有一个传输零点，并且需要外加并联微带枝节改善带外特性。本文利用SSRR的优点，设计了三种具有不同单元数的低通滤波器，对于最终优化的低通滤波器截至频率为4.98 GHz，阻带在5.02 GHz~10 GHz范围内带外抑制低于-31 dB。
　　2 SSRR低通滤波器设计
　　2.1 SSRR特性与等效电路
　　图1（a）给出了SSRR的结构及其等效电路模型。如图所示，与传统开口谐振环相比，该谐振单元由内外两个对称开口的分裂圆环组成，并且内环中间有一条连接上下两个半圆的缝隙。而传统的开口谐振环的内外环只有一个开口，内外环分离并且内环没有连接。该SSRR等效电路如图1（b）所示，两个由L1和C1构成的串联谐振单元是由SSRR的外环的两个对称半圆所产生，由L2 和C2组成的谐振单元是由内环所产生的，而内环与外环之间的相互耦合则由Cp表示。
　　
　　图1 SSRR单元结构及其等效电路模型
　　图2给出了SSRR单元的电磁仿真和等效电路仿真结果。当SSRR的单元尺寸为：R1 = 5mm，R2 = 3.5 mm，r = 1mm，d = 0.5mm，g = 0.5mm，w = 1.88mm时，其中本文所采用的仿真参数w为50Ω微带传输线特性阻抗宽度，介质板的介电常数εr＝3.48，介质板厚度为0.787 mm，利用Ansoft HFSS得到SSRR的仿真结果，可见具有两个传输零点，由外环产生的传输零点为f1 = 5.13GHz，由内环产生的传输零点为f2 ＝ 4.48 GHz。通过电磁仿真所得到的S参数提取的等效电路模型的原件值为：C1 = 0.979 pF，L1 =1.667 nH，C2 = 0.75 pF，L2 = 1.683 nH，and Cp= 0.487 pF。可见采用等效电路仿真（ADS）的结果与电磁仿真结果十分吻合。从而验证了等效电路的有效性和准确性。