新型高Q值U形缺陷地结构带阻滤波器

　　1999年，韩国学者J.I.Park等人在研究光子带隙(PBG——photonic bandgap)结构的基础上提出了缺陷地结构(DGS——defected ground structure)，由于PBG结构往往达到厘米甚至分米级，过大的尺寸使其在要求结构紧凑的微波毫米波组件中的应用受到限制，另外PBG结构的电路模型比较复杂，同时影响带隙特性的参数较多。DGS仅有一个缺陷单元就可形成阻带，且电路模型容易建立，因而应用更为广泛，DGS已经广泛应用于功分器、滤波器和功率放大电路等微波电路中。目前应用较多的DGS单元是哑铃形的或者是螺旋形的，均不能满足窄带抑制的要求。笔者提出了一种新型的DGS单元，在接地板上刻蚀一个U形的结构，该DGS可以具有比传统DGS更高的Q值，通带的波纹更小且损耗更低。

　　1 新型DGS的特性分析

　　图1为所提出的U形缺陷地结构，尺寸为l=10mm，c=g=0.4 mm，d=1.0 mm，50 Ω的标准微带线，介质板高度为1.27 mm，εr为10.2，用电磁仿真软件HFSS 9.2(Ansoft公司)进行分析，其S参数如图2所示。从图2中可以看出，S21在3.3 GHz衰减为29.17dB，经计算其Q值为21.3，比Q值通常小于10的哑铃形和螺旋形缺陷地结构高很多，且通带的波纹很小。

　　图3为U形DGS的传输特性随l变化的情况，尺寸d=1.0 mm，c=g=0.4 mm不变，随着l的增加，带宽和谐振频率降低，从表1计算的Q值可以得出，Q值随l的变化很小。

　　图4为DGS的传输特性随g的变化情况，其它尺寸l=10 mm，d=1.0 mm，c=0.4 mm不变，随着g的增加，谐振频率降低，在表2中可以看出，随着槽宽g的增加，Q值减小，当g减小时，等效电容增加，因此Q值增加。

　　图5为传输特性随d变化的情况，计算的Q值列在表3中，随着d的减小，Q值快速增加。这是因为d的减小引起了等效电容的快速增加。

　　另外，因为DGS的等效电路为并联电路，而在并联电路中，Q值正比于

　　2 带阻滤波器的设计和实验结果

　　图8为所设计的由三个U形DGS单元级联的带阻滤波器，其尺寸为l=9 mm，c=g=0.4 mm，d=1.0 mm，微带线的特性阻抗为50Ω，介质板高度h为1.27mm，εr为10.2，金属导带的宽度W=1.105 mm，金属导带和金属接地板由铜制成。单元之间的距离a为0.3 mm。

　　实验测试结果如图9所示，从图9中可以看出，在通带内波纹小，反射损耗低，从仿真结果得出Q值为23.2。

　　从实验测试结果可以得到，在谐振频率4.39 GHz处衰减为-32 dB，Q值为35.3。

　　3 结论

　　提出了一种新型的U形DGS单元，它具有高的Q值，同时通带内的波纹很小，且损耗低。所设计的由三个U形DGS单元级联的微带带阻滤波器，其仿真结果得到了矢量网络分析仪(HP8722D)的证实。测量结果表明：新型的DGS单元具有高Q值，在通带内波纹小且损耗低的特性。从上面的结论可以看出，新提出的DGS单元可以有效地用于各种微波集成电路(MIC)、单片微波集成电路(MMICs)和低温共烧陶瓷(LTCC)多层微波电路等领域中。