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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

带DGS结构的宽带微带线准椭圆函数滤波器设计_刘丹丹.pdf

上传者: 沸腾的雪2012 2014-04-01 评分1 评论0 下载0 收藏0 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: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DesignofwidebandmicrostripquasiellipticfilterwithdefectedgroundstructureLIUDandan,XIAOGaobiao(DepartmentofElectronicEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai,China)Abstract:Quasiellipticresponsefiltersarewidelyusedinmobileandsatellitecommunicationsystemsforsmallsize,lightweightandcompactstructurewhicharebetterthanChebyshevfiltersintransitionpropertyandextrabanddepressionButcouplingspaceistoosmallinmanywidebandquasiellipticfiltersDefectedgroundstructure(DGS)canincreasethecouplingcoefficientbetweentheresonatorsDGSisemployedinthegroundplaneinthequasiellipticresponsefilterThecouplingspaceiswidenedtoimplementbroadbandfiltersAwidebandmicrstripquasiellipticfilterwithDGSisdesignedusingDEMsimulationsoftwareHFSSKeywords:defectedgroundstructurecouplingcoefficientwidebandfiltersquasiellipticfiltersopenloopresonator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。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mm)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(DefectedGroundStructure)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(defectedpattern),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。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。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。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。在收稿日期:作者简介:刘丹丹(),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。))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。准椭圆函数滤波器的设计准椭圆函数响应准椭圆响应传输函数为:S()=EFN()()FN()=cosh(N)cosh()coshaacoshaa()其中是相对于角频率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。a为|S()|的极点,=a构成滤波器的一对传输零点。滤波器之间的频率变换=FBWXXXX()X是带通滤波器的频率变量,X为通带中心频率,FBW为相对带宽。两个衰减极点频率Xa,Xa为:Xa=XaFBW(aFBW)()Xa=XaFBW(aFBW)()准椭圆函数滤波器的实现文献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,如图所示的开环滤波器可以实现准椭圆函数响应。图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:Qei=Qeo=gFBWMi,i=Mni,ni=FBWgigii=,L,mMm,m=FBW#JmgmMm,m=FBW#Jmgm()其中m=N,N为谐振腔的个数。Mj#j为谐振腔j与谐振腔j之间的耦合系数。Qei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Ji,gi的值通过参考文献中的表查得。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Mi,j=fpfpfpfp()其中fp,fp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。提取外部品质因数为了从频率响应中提取品质因数,先考虑如图所示的等效电路。图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S可表示为:S=GYinGYin=YinGYinG()Yin是谐振腔的输入导纳。在谐振点附近,X=X$X,X=LC,(XX)XU$X,Qe=XCG于是有S=jQe#($XX)jQe#($XX)()S的相位是$XX的函数,如图所示。图S的相位与关系曲线图Qe可通过S的相位相应曲线求得:Qe=X$Xb()))在使用HFSS仿真设计时,采用图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S,它与B处的反射系数Sc之间的关系为:S(X)=ejBlSc(X)()图输入输出耦合结构示意图令H=Bl,B为X时微带线中的相移常数。H为A,B两点的相移,假定谐振腔是无耗的,则Sc(X)的相位为零,那么H就等于S(X)的相位。代入()式得Sc=SejBHB=SejfHf()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S得到B点处的反射系数SB。概括起来,用以下步骤提取外部品质因数。在HFSS中对图中的模型进行仿真,得到端口处A的反射系数S。ºS的衰减极点频率为谐振腔的谐振频率f,并提取这点的相位值H。把谐振点f和H带入公式(),得到B点的反射系数SB。在SB的相位图上找到$Xb,$Xb代入公式(),得到Qe。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。图磁耦合结构图为实现磁耦合的两个开环谐振器的结构图。图(a)是一般形式的结构,图(b)中加入了DGS结构。图磁耦合的情况下开环谐振器的插入损耗图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,图比较了一般的耦合结构的S和加入了DGS结构后的S。可以看到,加入DGS后,fe和fo的间距变大了,并且谐振频率向低频方向移动。从图中可以看出,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。图电耦合结构的S图和图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fe和fo的间距变大了,由公式()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))图交叉耦合结构的S入了DGS后,谐振频率往高频方向移动。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:GHz,带宽:MHz,FBW=。采用开环滤波器进行设计,利用文献所给的数据,取a=,可以得到:g=,g=,J=,J=利用式()得到:M=M=,M=,M=,Qe=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fp,fp,然后利用公式()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(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(d)所示,从而确定t。电路建立在等效介电常数为,厚度为mm的基片上。图设计参数与几个尺寸间的关系得到的滤波器结构如图所示。经过HFSS仿真并微调后得到的频率响应如图所示。图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。图给出了耦合间隙Sm=mm,dgsl=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所示,仿真后得到的频率响应如图所示。图四极点开环滤波器的频率响应图耦合系数与DGS大小的关系可以看出,在通带内,|S|小于dB,在阻带外衰减优于dB。用DGS结构来解决耦合间隙过小的问题是可行的。))图加入DGS结构的四极点开环滤波器图加入DGS的滤波器频率响应结束语本文研究了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:HongJS,LancasterMJDesignofhighlyselectivemicrostripbandpassfilterswithasinglepairofattenuationpolesatfinitefrequenciesJIEEETransMicrowaveTheoryTech,,:YeoKSK,LancasterMJ,HongJSThedesignofmicrostripsixpolequasiellipticfilterwithlinearphaseresponseusingextractedpoletechniqueJIEEETransonMicrowaveTheoryTech,,: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,,:DalA,ParkJS,KimCS,etalAdesignofthelowpassfilterusingthenovelmicrostripdefectedgroundstructureJIEEETransonMicrowaveTheoryandTech,,():LimJ,LeeS,KimC,etalA:unequalWilkinsonpowerdividerJIEEEMicrowaveandWirelessCompLett,,():ParkJI,YunJ,DalAhnAdesignofthenovelcoupledlinebandpassfilterusingdefectedgroundstructurewithwidestopbandperformanceJIEEETransonMicrowaveTransandTech,,():ZhuL,BuH,WuKAperturecompensationtechniqueforinnovativedesignofultrabroadbandmicrostripbandpassfilterJIEEEMTTSDigest,HongJS,LancasterMJMicrostripFiltersForRFMicrowaveApplicationsJWillerinterscience,HongJS,LancasterMJCouplingofmicrostripsquareopenloopresonatorsforcrosscoupledplanarmicrowavefiltersJIEEETransMTT,,:责任编辑:么丽苹(上接第页)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。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:DonohoDL,JohnstoneIMIdealspatialadaptationbywaveletshrinkage,Biometrika,,():PhilippeRavier,PierreOlivierAmblardDenoisingusingwaveletpacketsandthekurtosis:Applicationtotransientdetection,:张贤达,保铮非平稳信号分析与处理M国防工业出版社,SylvainSardy,PaulTseng,AndrewBruceRobustWaveletDenoisingJIEEEtransactionsonsignalprocessing,,()AdhemarBultheelWaveletswithapplicationsinsignalandimageprocessingDPhDthesis,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,MATLABWaveletToolboxUsersGuideMvR,MathworksCompany,America,SanjitK,MitraDigitalSignalProcessing,AComputerBasedApproachMndedMcGrawHillCompanies,Inc,责任编辑:肖滨))

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