新型谐波抑制微带低通滤波器的设计

新型谐波抑制微带低通滤波器的设计
摘要—一种新型的谐波抑制微带低通滤波器（LPF）被提出，这种新型滤波器由地面缺陷结构(DGS)，一系列并联阶梯阻抗存根以及在通带中的分流元件组成。

通过两种谐振器的衰减极，结果发现不仅谐波响应被有效抑制，而且阻带中的抑制也很大。

此外，由于两种谐振器有慢波特性，提出的低通滤波器能被紧凑实施。

I. 引言
最近，在许多通信系统中，非常需要一个谐波抑制低通滤波器（LPF）来消除由功率放大器、混频器和振荡器引起的杂散响应。

为此，一个集总元件如晶片电容器[1]或电阻片[2]已经被包含在在分布式线电路中，以便打破其周期与频率。

另一种方法是采用定期带隙（PBG）的结构[3]或地面缺陷结构（DGS）[4]。

特别是，由于DGS有一个简单的等效电路模型，并产生了一个具有宽阻带低通特性，许多研究活动已经完成为了以便将它应用到低通滤波器的设计[4]- [7]。

然而，他们大多并没有关注谐波的抑制，或者他们的设计程序太依赖全波电磁（EM）的优化，以至于很难适用传统的低通滤波器的设计方法。

本文中，提出了一种新型的谐波抑制微带低通滤波器以及其设计程序。

传统的哑铃型DGS和阶梯并联阻抗存根（SISS）是分别作为低通滤波器串联和并联分子使用。

据悉，他们有简单的双彼此等效电路并且他们都提供低通滤波器的阻带衰减极点。

通过适当的调整器共振频率，不影响原来正常的低通特性，提出的结构被证明是能够有效抑制谐波响应并提供深且宽的阻带。

由于两种谐振器的慢波影响，提出的低通滤波器比传统的物理长度较短，但对于紧凑的设计，这是很有帮助的。

II.程序设计
如图1所示，一个单位的分散型发电和单位SISS的等效电路分别被一个串联并联左旋C和一个并联连接系列L- C的谐振器所呈现[4], [8]。

注意到，单位SISS通过将两个长方形贴片电容分成较小的两个之后由两个相同的臂组成。

在此图中，一个DGS单位的平行L-C谐振器就像一个简单的串联电感，并且在低频区域一个SISS的串联L - C谐振器就像是一个简单的并联电容，因此，他们可以被当做低通滤波器的一个元器件来使用。

根据[4]提出的处理方法，他们的电路值与通过在截止频率对原始值的频率匹配以及阻抗频率缩放获得的相应的元素值相等。

然后,很容易就可以获得所需的低通响应。

[4]中，一旦在低于截止频率时它的长度足够短，两个相邻元素之间的微带线截面作用被忽略。

然而，在我们的研究领域里，这种SISS和DGS之间的线截面应是被考虑的，因为它虽然是短，但我们发现它在通带特性和截止频率是有显著影响。

为此，该线截面被建模为一个L形的网络，该网络由如图1所示串联L和一个分流C组成。

通常，一件T-或∏-网络模型用于其完全等效二端口网络。

但是，下列近似的ABCD参数显示短线截面可
L 形网络替代，
图1 设计低通滤波器的等效电路
Z0和L 分别是特征 阻抗和线截000022cos sin 1/sin cos /11111u rl c c c c c c c u rl u c rl c c rl c u c l jZ l jZ l j Z l l j Z l j L L C j L or j C L C j C ββββββωωωωωω⎛⎫⎛⎫≈ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫- ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭
（1）面的长度。

而且c β和 c ω是所给定的低通滤波器截止频率处的传播常数和角频率。

从上面的方程，等效电感和电容是由()0/l l c L Z l τυ=和()0/()l l c C l Z τυ=给定，c υ是相应的相位速度。

基于此近似关系，与[4]中一样的程通过使用如图1的DGS 和SISS 的于行参数和等效电路而被应用。

数学上，这些关系可表示如下：
()11()i c DGS i
i i i c c LPF ll rl DGS C L L L L ωωω=----(2) ()11()j c SISS i i i j c c LPF ll rl SISS
C C C C L ωωω=----(3) 等式左边的i
LPF L 和LPF C 分别代表从原始滤波器获得的ith 电感jth 电容值。

在上述等式中，第一个谐振器
的1ll C (或1ll L )和最后一个谐振器的N rl C （或N rl L ）应当被排除。

另一方面，右边的()()i
j DGS SISS L 和 ()()i j DGS SISS C 是未知
的，应当分别与ith DGS （jth SISS ）的电感电容值相等。

每个等式两个未知数要确定即使给出行参数，仍存在很多的解。

然而，如果所有谐振器的谢振频率都给出，从（2）和（3）可获得独立的值。

值得一提的是，这两种可变的或线长度和谢振频率对抑制特性产生巨大的影响，并且他们可以被任意挑选只要相应的结构可被实施。

因此，关键是找出他们的提供最佳的抑制性能的最佳值。

首先，初始值可通过考虑典型
谐振器以及常用低通滤波器的谐波的频率来决定。

然后，()()i
j DGS SISS L 和()()i j DGS SISS C 从（2）和（3）算得。

有这
些等效的电路参数，可以通过模拟电路简单地获得频率响应。

然而，由于线截面的近似缘故，图1中的等效电路只在靠近通带区域有效。

图2修改后评估全带特性的等效电路 因此，它需要被修改成类似图2的等效电路，这样包含了阻带响应。

代替线截面的及总元素，他们将被分布式微带元素代替。

另外，每个谐振损失项包含在它的等效电路和在其谐振频率处从参数计算得的近似的典型值。

一旦初始参数有抑制性能，用一个任意优化技术赋予了新的参数重复上述程序。

所有程序完成后，剩下的一个来决定各自的谐振器的物理尺寸提供优化的电路值。

对于一个哑铃形的DGS ，其初始尺寸可通过准静态模型的方法估计[9]。

在一个单位的SISS 的情况下，还存在着各种使它可以很容易找到初始值的分析模型。

然而，准确的尺寸应从与[5]同样的程序中得到或通过给予若干通过EM 仿真的调整程序。

III. 五极低通滤波器的设计及测量结果
作为该方法的例子，设计一个截止频率为1.5GHz~~0.01分贝的五极低通滤波器。

使用的基材是厚度31毫米和介电常数是2.2的 RTDuorid5880。

由于低通滤波器是对称的，三个谐振器的谐振频率和两线截面的长度应性能最优化以符合上述程序。

在这个设计中，DGS 和两个SSIS 的谐振频率首先通过考虑传统谐波和边带特性来确定，它们分别被设置为7.0Hz ，6.0Hz ，8.5Hz 。

在这种情况下，两线长度被优化以至能提供深又宽的阻带。

然而，事实上（1）中给出的电感和电容多少被高估了，而且图3（a ）给出了设计的低通滤波器的配置与它的物理尺寸，图3（b ）为模拟频率响应。

图3(a)设计的低通滤波器尺寸(单位：毫米)（b）模拟频率响应
两种结果在电路和全波电磁模拟间比较，它们是一致的。

为了验证模拟结果，提出的低通滤波器的制作规范与传统的五极阶梯阻抗和开放存根低通滤波器[8]相同。

正如所料，图4测量结果结果表明，该低通滤波器提供了与传统低通滤波器一样优越的抑制特性。

在阻带为4至12千兆赫频段时，传输限制到小于40分贝。

所有的杂散响应抑制低于30分贝，最多不超过15千兆赫，这相当于约10倍截止频率。

很明显，截止频率大于或类似其它的。

此外，测量到所有情况下在通带中的插入损耗小于0.2分贝。

图4测量的所设计的低通滤波器以及传统滤波器的S参数
IV. 小结
带有深且宽的阻带的谐波抑制的微带低通滤波器已被提出而且能写出它的简要设计程序。

通过使用两种带有双等效电路的谐振器，并把它们的衰减极点调节到合适的频率点，传统的谐波响应证实被有效抑制，而且并未改变初始的低通特性。

测量结果显示所有的谐波响应都被抑制高达30分贝，这是截止频率的10倍。

此外，因为它有一个陡的抑制斜坡，及一个相对较小的规模，提出的结构被期望能够对设计一个带有良好抑制性能的紧凑低通滤波器有帮助。