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带DGS结构的宽带微带线准椭圆函数滤波器设计_刘丹丹.pdf

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上传者: 沸腾的雪2012 2014-04-01 评分1 评论0 下载0 收藏10 阅读量612 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《带DGS结构的宽带微带线准椭圆函数滤波器设计_刘丹丹pdf》,可适用于电子通讯领域,主题内容包含中图分类号:TN文献标识码:A文章编号:()带DGS结构的宽带微带线准椭圆函数滤波器设计刘丹丹,肖高标(上海交通大学电子工程系,上海)摘要:准椭圆滤符等。

中图分类号:TN713 文献标识码: A 文章编号: 1009- 2552( 2007) 03- 0051- 05 带 DGS结构的宽带微带线准椭圆函数滤波器设计 刘丹丹, 肖高标 (上海交通大学电子工程系, 上海 200240) 摘 要: 准椭圆滤波器体积小, 重量轻, 结构紧凑, 比契比雪夫滤波器有更好的过渡特性, 更 高的带外抑制, 在卫星通信和移动通信中有广泛的应用前景。但在用准椭圆滤波器实现宽带滤 波器时, 有时会遇到耦合间隙过小难以加工的问题。在准椭圆滤波器的谐振器底板加入缺陷接 地结构 (DGS) , 可以增强谐振器之间的耦合。应用 DGS 结构, 用较宽的耦合间隙实现较强的耦 合, 从而使宽带滤波器物理上更容易实现。应用三维电磁场仿真软件, 设计了一种带 DGS 结构 的宽带微带线准椭圆函数滤波器。 关键词: 缺陷接地结构; 耦合系数; 宽带滤波器; 准椭圆滤波器; 开环谐振器 Design of wideband microstrip quasi- elliptic filter with defected ground structure LIU Dan-dan, XIAO Gao-biao ( Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China) Abstract: Quasi- elliptic response f ilters are widely used in mobile and satellite communication systems for small size, light weight and compact structure which are better than Chebyshev filters in transition property and extra band depression. But coupling space is too small in many wideband quasi- elliptic filters. Defected ground structure( DGS) can increase the coupling coefficient between the resonators. DGS is employed in the ground plane in the quasi- ellipt ic response filter. The coupling space is widened to implement broadband f i-l ters. A wideband micrstrip quasi- elliptic filter with DGS is designed using 3D EM simulation software HFSS. Key words: defected ground structure; coupling coefficient; wideband filters; quasi- elliptic filters; open- loop resonator 0 引言 准椭圆函数滤波器体积小,结构紧凑,比契比雪 夫滤波器有更好的过渡特性, 更高的带外抑制,在卫 星通信和移动通信中有广泛的应用前景[ 1- 2]。准椭 圆窄带滤波器的技术已经很成熟,但宽带滤波器的 设计还会存在一些问题。在设计带宽为 10%以上 的滤波器时,很多滤波器中的谐振腔之间的耦合间 隙过小(比如小于 0. 05mm)时加工精度达不到。对 于准椭圆函数滤波器来说, 增加带宽就需要增强谐 振器之间的耦合,可以用减小谐振器之间的间距和 微带线线宽来实现。然而当谐振腔之间的间距极小 时,难以加工实现。 近年来, DGS ( Defected Ground Structure)在微波 毫米波电路中得到广泛的应用。DGS是通过在微波 电路的接地板上蚀刻出蚀刻图案( defected pattern) , 以改变电路衬底材料的有效介电常数,从而改变介 质上的微带线的分布电容和分布电感 [ 3] 。DGS结构 的带隙特性和慢波特性, 可用于制造滤波器和紧致 的高阻抗微带线 [ 4- 5]。另外, 还可以把 DGS 当作谐 振腔和转换器,放在带通滤波器的两端,进而减小电 路尺寸, 改善通带插损特性和阻带衰减特性[ 6]。当 在微带滤波器中加入了 DGS结构后, 微带线和接地 板之间的耦合降低, 谐振腔之间的耦合增强[ 7]。在 收稿日期: 2006- 09- 25 作者简介: 刘丹丹( 1981- ) ,女,上海交通大学电子工程系电磁场与 微波专业硕士研究生。研究方向为微波滤波器。 )51) zhangbiao 高亮 zhangbiao 高亮 zhangbiao 高亮 本文中,通过加入 DGS 结构, 以较宽的耦合间隙来 实现紧耦合,从而使宽带滤波器更容易设计和加工。 本文研究 DGS结构对开环滤波器耦合系数的影 响,把DGS结构用于改进四极点宽带开环滤波器设计。 1 准椭圆函数滤波器的设计 1. 1 准椭圆函数响应 准椭圆响应传输函数为: S21 ( 8 ) 2 = 1 1+ E 2 F 2 N ( 8 ) ( 1) FN ( 8 ) = cosh ( N - 2) cosh - 1 ( 8) + cosh- 1 8a 8 - 1 8 a - 8 + cosh - 1 8 a 8 + 1 8 a + 8 ( 2) 其中 8是相对于角频率 Xc的归一化频率, Xc 是低通 原形滤波器的截至频率, E是与回波损耗LR 相关的 波纹常数。8 a 为 | S21 ( 8) | 2的极点, 8 = ? 8 a 构成 滤波器的一对传输零点。滤波器之间的频率变换 8 = 1 FBW X X0 - X0 X ( 3) X是带通滤波器的频率变量, X0 为通带中心频 率, FBW为相对带宽。 两个衰减极点频率 Xa1 , Xa2 为: Xa1 = X0 - 8 a FBW+ ( 8 aFBW) 2 + 4 2 ( 4) Xa2 = X0 8 aFBW+ ( 8 aFBW) 2 + 4 2 ( 5) 1. 2 准椭圆函数滤波器的实现 文献[ 8] 给出了一种基于低通原型滤波器的综 合方法,应用不相邻谐振腔之间的耦合来实现传输 零点,如图 1所示的开环滤波器可以实现准椭圆函 数响应。 图 1 开环滤波器 其带通设计参数和低通原型参数之间的关系为: Q ei = Q eo = g 1 FBW Mi, i+ 1 = Mn- i, n- i+1 = FBW gig i+ 1 i = 1,L , m - 1 Mm , m+ 1 = FBW# Jm gm Mm- 1, m+ 2 = FBW # J m- 1 gm- 1 ( 6) 其中 m = N / 2, N 为谐振腔的个数。Mj#j+ 1为谐振腔 j 与谐振腔j + 1之间的耦合系数。Q ei 为输入端外部 品质因数, Qeo 是输出端外部品质因数。低通原型参 数 J i , g i 的值通过参考文献[ 8] 中的表查得。 在开环滤波器中有三种类型的耦合:电耦合,磁 耦合,交叉耦合。谐振器之间的耦合系数可通过下式 来决定[ 9] M i, j = f 2 p2 - f 2 p1 f 2 p2 + f 2 p1 ( 7) 其中 f p1 , f p2是两个谐振器发生耦合时测出的高 低谐振频率。可以通过应用高频电磁仿真软件HFSS 仿真得到耦合系数与耦合间距之间的关系。 1. 3 提取外部品质因数 为了从频率响应中提取品质因数, 先考虑如图 2所示的等效电路。 图 2 单端负载输入输出谐振器等效电路图 在激励端口的谐振腔的反射系数S11可表示为: S 11 = G - Yin G + Yin = 1- Yin / G 1+ Yin / G ( 8) Yin是谐振腔的输入导纳。在谐振点附近, X = X0 + $X, X0 = 1/ LC, ( X 2 - X 2 0 ) / X U 2$X, Qe = X0 C / G 于是有 S 11 = 1 - jQ e # ( 2$X/ X0 ) 1 + jQ e # ( 2$X/ X0 ) ( 9) S 11 的相位是 $X/ X0 的函数,如图 3所示。 图 3 S 11 的相位与关系曲线图 Q e 可通过S11 的相位相应曲线求得: Q e = X0 $X? 90b ( 10) )52) 在使用HFSS仿真设计时,采用图4的结构提取 外部品质因数。在用HFSS软件仿真时,激励设置为 LumpPort, 经过仿真得到端口 A 处的反射系数S11 , 它与 B 处的反射系数Sc11 之间的关系为: S11 ( X) = e - 2jBl Sc11 ( X) ( 11) 图 4 输入输出耦合结构示意图 令 H0 = - 2B0 l , B0 为 X0 时微带线中的相移常 数。H0为 A , B两点的相移,假定谐振腔是无耗的,则 Sc11 ( X0 ) 的相位为零,那么 H0 就等于 S11 ( X0 ) 的相 位。代入( 11) 式得 Sc11 = S11 e - j BH 0 B 0 = S11 e - j f H 0 f 0 ( 12) 利用以上的关系式, 对仿真后的结果进行后处 理。从A 处的S 参数S11得到 B点处的反射系数SB11。 概括起来, 用以下步骤提取外部品质因数。 在HFSS中对图4中的模型进行仿真, 得到端 口处 A 的反射系数S11。 º S 11的衰减极点频率为谐振腔的谐振频率f 0 , 并提取这点的相位值 H0。 把谐振点 f 0和 H0带入公式( 12) ,得到B点的 反射系数 SB11。 在SB11的相位图上找到 $X+ 90b , $X- 90b代入公 式( 10) ,得到 Qe。 2 加入了 DGS 结构的开环谐振器的 耦合系数 在开环滤波器中有三种类型的耦合:电耦合, 磁 耦合,交叉耦合。 图 5 磁耦合结构 图 5为实现磁耦合的两个开环谐振器的结构 图。图 5( a) 是一般形式的结构, 图 5( b)中加入了 DGS 结构。 图 6 磁耦合的情况下开环谐振器的插入损耗 图 7 磁耦合系数和耦合间隙的关系 在耦合间隙 s 不变的情况下,图 6比较了一般 的耦合结构的 S21和加入了 DGS 结构后的 S21。可 以看到, 加入 DGS后, f e 和f o 的间距变大了,并且谐 振频率向低频方向移动。从图 7中可以看出, 耦合 间隙相同的情况下,带有 DGS 结构的磁耦合系数比 一般结构的耦合系数大; 当谐振腔之间的耦合间距 s 变小时, 耦合系数增大;当耦合系数很大时, 耦合 间隙就非常小。加入了 DGS后,就可以以较宽的间 隙实现较大的耦合。 图 8 电耦合结构的 S 21 图8和图 9分别给出了电耦合结构和交叉耦合结 构的频率特性。可以看出,与磁耦合结构一样,两个谐 振频率 f e 和 f o 的间距变大了,由公式(7)可知,耦合系 数也增大了。但与磁耦合不同的是,电耦合结构在加 )53) 图 9 交叉耦合结构的 S 21 入了 DGS后,谐振频率往高频方向移动。 3 四极点开环滤波器的设计和改进 作为实例, 设计一个宽带的带通滤波器, 其设计 参数为: 中心频率: 2450GHz, 带宽: 294MHz, FBW= 12%。 采用开环滤波器进行设计,利用文献[ 9]所给的 数据,取 8a= 1. 8, 可以得到: g 1 = 0. 95934, g2 = 1. 42192, J 1 = - 0. 21083, J 2 = 1. 11769 利用式( 6) 得到: M12 = M34 = 0. 10274,M14 = - 0. 02635,M23 = 0. 09432, Qe = 8 利用高频仿真软件HFSS仿真谐振器之间的耦 合, 从频率响应得到两个谐振频率 f p1 , f p2 , 然后利用 公式( 7)得到耦合系数。通过仿真得到谐振器的耦 合系数和耦合间隙的关系如图 10( a) - ( c)所示。 从图中可以得到需要的耦合间隙。可以用上文提到 的方法,得到外部品质因数和输入输出线位置 t 的 关系曲线,如图 10( d)所示, 从而确定 t。电路建立 在等效介电常数为 9. 8, 厚度为1mm的基片上。 图 10 设计参数与几个尺寸间的关系 得到的滤波器结构如图11所示。经过HFSS仿 真并微调后得到的频率响应如图 12所示。 图 11 四极点开环滤波器 可以看到, 有两个谐振器之间的耦合间隙非常 小。可以通过加入 DGS 结构来解决这个问题。应 用带有 DGS结构的耦合结构代替耦合间隙过小的 耦合结构。图 13 给出了耦合间隙 Sm= 0. 3mm, dgsl= 4的情况下, DGS的宽度 dgsw 变化时, 耦合系 数的变化曲线。从需要的耦合系数反推出 DGS的 物理尺寸 dgsw。加入 DGS 结构的准椭圆滤波器的 结构如图 14所示, 仿真后得到的频率响应如图 15 所示。 图 12 四极点开环滤波器的频率响应 图 13 耦合系数与 DGS大小的关系 可以看出,在通带内, | S11 | 小于- 20dB,在阻带 外衰减优于- 20dB。用 DGS 结构来解决耦合间隙 过小的问题是可行的。 )54) 图 14 加入DGS结构的四极点开环滤波器 图 15 加入DGS的滤波器频率响应 4 结束语 本文研究了 DGS结构对耦合结构的影响。利 用DGS结构可以增加谐振器之间的耦合的特点,设 计了一种带有 DGS结构的宽带准椭圆函数滤波器。 应用DGS结构可以解决准椭圆宽带滤波器耦合间 隙过小的问题,使准椭圆宽带滤波器的设计加工更 加容易实现。 参 考 文 献: [ 1] Hong J S, Lancaster M J.Design of highly select ive microstrip bandpass filters with a single pair of attenuation poles at finite frequencies [ J] . IEEE Trans. Microwave Theory Tech. , 2000, 48: 1098- 1107. [2] Yeo K S K, Lancaster M J, Hong J S. The design of microstrip six- pole quasi- ell iptic filter with linear phase response using extracted- pole technique[ J] . IEEE Trans. on Microwave Theory Tech. , 2001, 49: 321- 327. [ 3] 刘海文,李征帆,孙晓玮.缺陷接地结构在 RF 和微波电路中的 最新应用[ J] .电子科学技术评论, 2005, 1: 19- 24. [ 4] Dal A, Park J S, Kim C S, et al. A design of the low- pass filter using the novel microstrip defected ground structure[ J ] . IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. , 2001, 49( 1) : 86- 93. [ 5] Lim J, Lee S, Kim C, et al. A 4: 1 unequal Wilkinson power divider [ J] . IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett , 2001, 11(3) : 124- 126. [ 6] Park J I, Yun J, Dal Ahn. A design of the novel coupled- line band- pass filter using defected ground st ructure with wide stopband perfor- mance[J] . IEEE Trans. on Microwave Trans and Tech, 2002, 50( 9) : 2037- 2043. [7] Zhu L, Bu H, Wu K. Aperture compensat ion technique for innovat ive design of ultra- broadband microstrip bandpass filter[ J] . IEEE MTT- S Digest, 2000. [8] Hong J S, Lancaster M J. Microst rip Filters For RF/ Microwave Appl-i cations[ J] .Willer- interscience, 2001. [9] Hong J S, Lancaster M J. Coupling of microstrip square open- loop reso- nators for cross- coupled planar microwave filters[ J] . IEEE Trans . MTT, 1996, 44: 2099- 2109. 责任编辑:么丽苹 (上接第 18页)原始信号, 显得无能为力了, 而小波包阈 值方法去噪后的信号的 SNR值仍然较大,去噪效果 非常理想。 5 结束语 基于多分辨分析的小波包分解可以将信号分解 到不同的频带,选取一定的阈值规则和阈限,把一些 次要的频带成分的小波系数置为零后重构信号,以达 到消除噪声的目的。理论分析和对不同的信号的仿 真结果都表明,基于小波包的阈值去噪方法明显优于 传统的信号去噪方法,特别是对非平稳信号能有效去 除信号中的大量随机噪声,提高信号的 SNR值。 参 考 文 献: [ 1] Donoho D L, Johnstone I M . Ideal spat ial adaptation by wavelet shrin- kage, Biometrika, 1994, 81( 3) : 425- 455. [ 2] Philippe Ravier, Pierre- Olivier Amblard. Denoising using wavelet pac- kets and the kurtosis: Application to transient detect ion, 1997: 3417- 3420. [ 3] 张贤达, 保铮. 非平稳信号分析与处理[M ] .国防工业出版社, 1998. [ 4] Sylvain Sardy, Paul Tseng,Andrew Bruce. Robust Wavelet Denoising [ J] . IEEE transactions on signal processing, 2001, 49( 6) . [ 5] Adhemar Bultheel. Waveletsw ith applicat ions in signal and image pro- cessing[ D] . PhD thesis, 2003. [ 6] 冉启文, 谭立英. 小波分析与分数傅里叶变换及应用[ M ] .国 防工业出版社, 2003. [7] MATLAB Wavelet Toolbox User. s Guide[ M ] . v7. 0 R14, Mathworks Company, America, 2004. [8] Sanjit K , Mitra. Digital Signal Processing, A Computer- Based Ap- proach[ M] . 2nd ed.McGraw - Hill Companies, Inc. , 2005. 责任编辑:肖滨 )55)

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