新型金属带加载的缺陷接地结构设计的微带滤波器及其性能优化

工程科学与技术，国际期刊20（2017）679完整文章新型缺陷接地结构Arjun Kumar，M.V.卡尔季凯扬印度理工学院电子与通信工程系，Roorkee，247667，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年6月28日收到2016年10月3日修订2016年10月26日接受2016年11月10日在线发布保留字：金属带DB-DGS微带滤波器和传统DGSA B S T R A C T本文采用新型金属带加载缺陷接地结构（DGS）设计了各种微带滤波器，如窄带/宽带带通滤波器、双频带在此提出的DGS中，金属条被引入哑铃形DGS（DB-DGS）的连接槽中这种新的DGS是传统（哑铃形）DGS的改进版本，具有增强的滤波器特性。利用这种新型金属带加载的DB-DGS，设计了具有改进特性的带通（窄带/宽带）滤波器、双通带通滤波器和低通滤波器整个滤波器的设计和制造与相同的基板面积使用50O，kg/4微带线，这是非常紧凑的传统微带滤波器。为了验证所提出的设计，所有制造的滤波器在罗德和施瓦茨矢量网络分析仪1127.8500测量，并与电路模拟结果进行比较。所有的仿真都是在HFSS V10和ADS2006A中进行的。©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍缺陷接地结构（DGS）是近年来微波器件小型化的一种非常流行尽管如此，人们仍在继续研究这种方法来改善微波/毫米波器件的性能。DGS的概念起源于光学领域中的光子带隙结构（PBG）[1]。DGS是通过在微带线的地平面上刻蚀简单的形状来实现的[2]。腐蚀图形会干扰接地层中的电流路径，从而改变微带线的性能DGS具有两个主要特性：一个是慢波效应，另一个是带阻特性[3]。这些特性可以通过改变DGS的尺寸和形状来修改。本文提出了一种新型金属加载DGS微带带通滤波器（窄带/宽带）、双频带通滤波器和低通滤波器。将这种新的金属负载DGS与其他传统DGS进行比较，并且这种新提出的DGS在所有传统DGS中显示出更好的性能特征[1在此基础上，设计、制作了带通、双频和低通滤波器*通讯作者。电子邮件地址：akdec. gmail.com（A.Kumar），kartik@ieee.org（M.V.Kartikeyan）。由Karabuk大学负责进行同行审查在相同的基片面积（20 mm× 19.5 mm）和（0.0065kg× 0.0064kg）下进行测试。2. 各种哑铃形DGS与金属加载DGS的比较图1示出了具有金属负载的DB-DGS的各种DB-DGS的设计配置。在这种新型的DB-DGS中，在方形哑铃形DGS的连接槽中增加了两个金属条如图 1（e）.这些条带提供了比其他传统DB-DGS更有效的并联电容补偿，从而提高了滤波器响应的灵敏度[6在传统的DB-DGS中，可以通过调整哑铃之间的连接槽的尺寸（即，连接槽长度（d）和槽间隙（g））来改善有效电容。然而，这些尺寸不能被调整到超出总体尺寸的限制，因此限制了该DGS配置的使用范围。DB-DGS的所有设计图形都是以3.4 mm的线宽和19.5 mm的线长蚀刻出来的。衬底Neltec的介电常数（er）为3.38，损耗角正切（tand）为0.0025。导体厚度为0.07各种DB-DGS结构的尺寸在表1中给出。http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.10.0152215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch680A. Kumar，M. V. Kartikeyan/工程科学与技术，国际期刊20（2017）679联系我们cpF100foOCpOFig. 1. 各种DB-DGS模式：（a）三角形股骨头（b）方形股骨头（c）圆形股骨头（d）六边形股骨头（e）装载金属条的拟定方形股骨头[1表1各种DB-DGS的尺寸。尺寸（mm）圆形六边形三角平方金属负载一––43.23.5G0.811.10.31D1212121111R0.33.1–––r10的0.33.1–––K––––0.2M––––1.2不––––2.2S––––3.22.1.各种DB-DGS与新型DB-DGS的频率特性比较选择最小值-最大值fs-fcð2Þ一些模拟DB-DGS设计配置的特性已在图2中示出。所有DB-DGS设计配置都已使用EM模拟器HFSS V10进行了模拟。对于4 GHz的所有DB-DGS几何结构，3 dB截止保持相同。从图2中可以清楚地看到，金属负载的DGS的选择性比其他常规DB-DGS几何结构更高。锐度因子（S.F.）或滚降因子已使用给出的表达式计算下面[8，9]：其中a（min）、a（max）分别为20 dB和3 dB衰减，而fs、fc和fo为20dB衰减时的停止频率、3 dB截止频率和谐振频率（单位：GHz）。选择性（n）的单位是dB/GHz。所有DB-DGS配置的L-C等效电路模型如图所示。3.第三章。5Fp¼phf2-f2iSharm-系数S：F：F/Cð1Þ250Lp¼Cpf2nH4CA. 库马尔， M.V. Kartikeyan /工程 科学 和技术， 一个 国际 杂志 20 （2017）第679681图二. 模拟各种DB-DGS模式的S参数。图3.第三章。DB-DGS的L-C等效电路[11].在表2中，各种DB-DGS配置的性能根据图1中的模拟结果制成表格。 二、从表2中可以清楚地观察到，所提出的金属条加载的DGS微带带阻滤波器的选择性（n）和锐度优于其他常规DB-DGS。通过在DB-DGS的连接槽中插入金属条，有效电容增大，电感减小。因此，所提出的DB-DGS的电容和电感的这种改进负责滤波器的高选择性和尖锐性3. 拟议DB-DGS在本节中，已根据截止频率和谐振频率研究了所提出的DB-DGS的各种尺寸对其频率特性的影响。的关键参数，如截止和谐振频率的建议DB-DGS已被研究相对于尺寸的变化。所提出的DB-DGS的主要尺寸是截止频率和谐振频率。通过控制这些尺寸，可以实现各种应用所需的截止和谐振频率。所提出的DB-DGS的各种尺寸对频率特性的影响已在图1A和图1B中示出。四比六参数分析也研究- ied的有效电感和有效电容。3.1. 尺寸“a”的影响在图4中，S21参数随尺寸“a”的变化而绘制。其他尺寸“g”= 1.5 mm和“s”= 0.3 mm保持固定。从图4中可以清楚地观察到，随着尺寸“a”的增加，3-dB截止值和谐振频率向低频侧移动，但是在这种情况下，3-dB截止值与谐振频率相比变化更显著。由于大电流路径，该3-dB截止频率显著改变当尺寸3.2. 尺寸“g”的影响在本小节中，尺寸“g”对频率特性的影响尺寸“g”为方头连接槽的槽隙。随着槽隙“g”的增加，谐振频率向更高的频率偏移。这意味着，如果槽缝间隙较小，边缘场耦合电容将较大。当缝隙间隙最小时，由于边缘效应，电场的耦合将更好。从图5中可以清楚地看出，3 dB截止值几乎相同，但只有谐振频率随着槽隙“g”的变化而显著变化。该谐振频率取决于有效电容。因此，通过调节槽隙尺寸见图4。模拟S-参数与尺寸的变化表2微带带阻滤波器与差分增益放大器的性能比较参数圆形六边形三角平方金属负载fo（GHz）65.75.65.44.91S.F.0.660.70.710.740.81Cp（pF）0.3180.3860.4140.4840.785Lp（nH）2.2142.0211.9532.11.339fs（GHz）5.75.55.45.34.8n（dB/GHz）1011.312.11321.3682A. Kumar，M. V. Kartikeyan/工程科学与技术，国际期刊20（2017）679≈≈O千分之一ffiffiffiffiffiffiffiffiffi“ff-1]22¼图五.模拟S-参数与尺寸的变化（tand）= 0.0025用于所有设计配置。所有带通滤波器的设计配置已在小节“A”、“B”和“C”中用制造和测量结果4.1. 窄带微带带通滤波器窄带带通滤波器的设计指标为：中心频率 f0= 5.4GHz，带宽300MHz，10dB衰减带宽900MHz，通带插入损耗1.0dB，阻带衰减20dB这些规格是适合WLAN应用。图图7示出了窄带带通滤波器的设计配置以及使用所提出的DB-DGS制造的组件。所提出的滤波器的尺寸如图所示。7.第一次会议。在这种设计配置中，两个U形槽以交替的方式引入微带线的条带中[12]。导电条中的这两个槽增加了与电感串联的电容，并进而与所提出的DB-DGS的L-C谐振器的电容并联[13所提出的设计的L-C等效电路如图8所示。这种类型的原型电路模型将提供窄带效应。该电路模型具有谐振和反谐振两种谐振频率特性。在图8中有两个谐振电路，一个是串联谐振，第二个是并联谐振。对于这些谐振电路，可以使用以下等式[13]计算电路参数：对于串联谐振电路“f2#¼F-1Ck CoHOð1ÞL14p2f2Ckð2Þ1o¼2ppLk Ck对于并联谐振电路ð3Þ见图6。模拟S参数与尺寸的变化'的DB-DGS建议2Ck Coolð4Þ3.3. 维度“% s”的效果尺寸“s”对频率特性的影响当尺寸“s”增加时，谐振频率向较低频率偏移。频率向下侧的偏移是由于连接槽的金属条之间的间隙减小。如果连接槽的金属条之间的间隙较小，则由于边缘场的存在，耦合将更好。在这种情况下，3-dB截止频率变化不大，但谐振频率随着尺寸“s”的变化而显著变化4. 窄带和宽带带通滤波器的设计与实现在这一部分中，我们利用新型金属带DGS设计了窄带、宽带和双频微带带通滤波器。所有带通滤波器均采用50Ω，kg/4微带线设计。这些带 通 滤 波 器 的 尺 寸 保 持 不 变 ， 为 20 mm× 19.5 mm （ 0.0065kg×0.0064kg）。的衬底的介电常数（er）= 3.38，衬底的高度（h）= 1.524 mm，导体厚度（t）= 0.07 mm，损耗角正切图7.第一次会议。窄带带通滤波器的设计配置与制造设计（顶视图和底视图）。F#A. 库马尔， M.V. Kartikeyan /工程 科学 和技术， 一个 国际 杂志 20 （2017）第679683L千分之一’见图8。窄带带通滤波器的L-C等效电路模型[13]。L14p2f2Ckð5Þ1l¼2ppLkCkð6Þ见图10。 一种宽带带通滤波器的结构设计这里，fo、fh和fl是谐振频率和反谐振频率。Cp和Co可以使用与[13，14]中所述相同的建模方法来确定。电路参数的提取值为：Lk= 8.03nH，Ck= 0.118pF，Cp= 0.659pF，Co= 0.365pF。如果导电条中的槽数增加，则会增加串联电容，这将使响应变窄。这里没有显示增加插槽的效果。该滤波器在制作后进行了测试.所提出的窄带带通滤波器的测量结果如图9所示。这些测量结果与电路仿真和HFSS仿真结果进行了比较。实测结果与模拟结果吻合较好。在图9中，可以清楚地看到，中心频率为5.4 GHz，3 dB上限和下限截止频率分别为5.5GHz和5.2 GHz，带宽（体重）频率为300 MHz，通带内插入损耗为0.6 dB，10 dB衰减带宽为1 GHz。可以看出，实测值与模拟结果吻合良好4.2. 宽带微带带通滤波器在图10中，示出了宽带微带带通滤波器。设计规格被选择为中心频率（fo）为4GHz，图9.第九条。采用所提出的DB-DGS的窄带带通滤波器的S参数结果（俯视图和仰视图）。3 dB上、下截止频率分别为6.4 GHz和1.4 GHz，带宽为5 GHz，通带内插入损耗为0.5 dB，10 dB衰减带宽为6.3 GHz。尺寸如图10所示。该滤波器也是用50×，kg/4微带线设计的。该带通滤波器采用了一种新型的金属加载DBDGS阵列，其导电条上开有U形槽。这种DB-DGS阵列提供了宽阻带，因为它抑制了其他频带[1，14由于边缘场耦合，导电条中的U形槽产生串联电容。这种U形槽还将产生与线路电容并联的电感效应。整个L-C电路模型的组合表现为宽带带通滤波器。该滤波器的L-C电路模型如图11所示。如图11所示的电路参数的值可以像在子部分“A”中的窄带带通滤波器的情况下那样确定这 些 回 路 参 数 的 值 为 ：Lk= 2.1667nH ， Ck= 0.342pF ， Cp=0.620pF，Lp= 4.186nH，Co= 0.1.199pF。的用矢量网络分析仪对制作的带通滤波器进行了测试。图12示出了测量结果以及HFSS仿真和电路仿真结果。仿真结果与电路仿真结果基本一致，但实测结果略有不同。结果的差异是由于制造误差造成的。4.3. 双频微带带通滤波器在这一部分中，设计了一个双频带通滤波器。图13示出了所提出的双频带通见图11。建议的宽带带通滤波器的L-C等效电路模型[13F684A. Kumar，M. V. Kartikeyan/工程科学与技术，国际期刊20（2017）679见图12。具有所提出的DB-DGS的宽带带通滤波器的S参数结果。图十三.双频带带通滤波器的设计配置与制造设计（顶视图和底视图）。滤波器采用相同的新金属带DB-DGS拓扑结构。在此设计中，使用两个通孔来获得双频特性在该建议的双频带带通滤波器中，在导电条中引入槽，两个通孔的尺寸分别为1.2 mm和1 mm[18]。由于边缘场会聚或耦合，该缝隙增加了串联电容。这一系列的电容行为就像一个高通滤波器的特定频率的特点适用于设计带通滤波器。所提出的DB-DGS给出了单极低通特性[7]。因此，低通和高通的组合将给出带通特性。这就是串联电容与线路串联的原因。这两个过孔使微带线与地短路，这将产生两个与电容并联的电感。该双频带带通滤波器的L-C等效电路模型如图所示。 十四岁等效电路参数的提取值为：L1= 2.2575nH，C1= 2.61039pF，L2=1.9276nH ， C2= 0.06294pF ， L3= 1.0487nH ， C3= 0.62237pF ， L4=2.4869nH，C4= 1.71129pF，图14. 提出的双频带通滤波器的L-C等效电路模型。图15.采用DB-DGS的双频带带通滤波器的S参数结果。L5= 1.2085nH ， C5= 0.45255pF ， C0= 0.6024pF ， 中 心 频 率 分 别 为4.2GHz和7.7GHz。该双频带的带宽为400 MHz和500 MHz。其它设计指标如介电常数、损耗角正切、基片高度和导体厚度与图1相同。1.一、此设计已制作完成，其布局亦如图所示. 13岁在制造之后，在VNA中测量制造的设计。仿真、电路仿真和测量结果如图15所示。在所有的仿真和测量结果中，谐振频率几乎相同。在图15中可以清楚地观察到，与HFSS仿真和电路仿真结果相比，插入损耗在测量中更多。插入损耗在两个通带中均为0.7 dB，但在测量中为0.9dB。这种额外的损耗是由于VNA电缆中的衰减造成的。这种附加损耗很小，测量结果与模拟结果基本一致。5. 低通滤波器的设计与实现图图16示出了微带低通滤波器。该低通滤波器也是用50Ω，kg/4微带线设计的在该设计配置中，规格为介电常数（er）= 3.38，衬底高度（h）= 1.524 mm，导体厚度（t）= 0.07 mm，损耗角正切（tand）= 0.0025。设计该低通滤波器的设计目标是：3 dB截止频率= 6.6 GHz，通带插入损耗0.5 dB，7.4 GHz至10 GHz。所提出的DB-DGS用于地平面的50 O微带线的大小的滤波器A. 库马尔， M.V. Kartikeyan /工程 科学 和技术， 一个 国际 杂志 20 （2017）第679685××≈20 mm19.5图16中示出了所提出的滤波器的尺寸以及制造。在该低通滤波器中，不使用短截线或高-低阻抗。报道了各种DB-DGS低通滤波器[11，19]，但在该低通滤波器中，金属条插入DB-DGS的连接槽中，这提供了高锐度和高选择性。DB-DGS阵列由于在阻带中实现了这种高抑制而抑制了频率的高阶模式[17]。该低通滤波器的L-C等效电路模型如图所示。 十七岁有三个谐振器电路，每个用于三个DGS。极左和极右DGS是对称的，因此这些谐振器的值是相同的。只有中心DGS在尺寸上不同，因此与小DGS谐振器相比，电路参数的值更多。计算提取参数的数学推导如[1]所述。制作后，用S参数测量了滤波器的性能仿真、电路仿真和实测结果如图所示。 十八岁可以清楚地观察到，3 dB截止频率在仿真和测量中是相同的。在通带内的测量插入损耗为0.7 dB，这是相当可比的插入损耗在模拟结果。因此，测量结果是一致的。5.1. 最近报告的工作在本节中，最近报告的工作与表3所示的拟议工作一致。在表3中，可以清楚地观察到，与最近报道的其他工作相比，所提出的设计具有较小的尺寸。图16.低通滤波器的设计配置与装配设计（俯视图和仰视图）。图17. 低通滤波器的L-C等效电路模型[1]。图18.具有S参数的低通滤波器的设计配置具有新DB-DGS制造设计的低通滤波器的结果（顶视图和底视图）。表3最近报告的工作与拟议工作的比较。参考文献过滤器有效尺寸（kg×kg）IL（dB）[20]0.06kg× 0.05kg1 dB[21]0.106kg× 0.05kg0.3dB[22]0.17kg× 0.15kg1.49dB[23]1.1kg× 0.4kg1.5dB[24]0.37kg× 0.182kg0.32dB[25]0.489kg× 0.278kg0.5dB在这项工作中0.0065 kg× 0.0064 kg< 1dB（在所有滤波器类型中）6. 结论所有类型的过滤器进行了研究，新的金属负载DB -DGS显示出高选择性和高锐度因子。全部滤器设计对一相同基板与相同区域20 mm19.5 mm390毫米2.在带通和低通滤波器的设计中，采用了无短截线、高阻抗的设计方法。在本文中，所有的过滤器设计使用金属加载DB-DGS。所有滤波器的测量结果和模拟结果吻合良好。迄今为止，还没有详细的工作报告，设计所有的滤波器，如带通滤波器的窄/宽带，双波段和低通滤波器，使用相同的设计结构，相同的面积。引用[1] D. Ahn，J.S.Park，C.S.Park，J. Kim，C.S. 金，Y。Qian，T.伊藤，一种新型微带缺陷接地结构的低通滤波器设计，IEEE Trans. 微波理论技术 49（1）（2001）86-93。[2] 阿琼Kumar，M.V. Kartikeyan，具有缺陷接地结构的微带滤波器：近距离透视，Int.微 波 无线技术杂志。 5（5）（2013）589-602。[3] A.K. Arya，A. Patniak，M.V. Kartikeyan，从微带天线的角度看缺陷接地结构：综述，Frequenz J. RF Eng. J. Commun. 64（5 -6）（2011）79-84。[4] Arjun Kumar，Jagannath Malik，M.V. Kartikeyan，加载各种哑铃形缺陷接地结构的微带带阻滤波器的比较研究，国际微波与光学技术杂志8（2）（2013年3月）。[5] 中义陈湖，澳-地李小刚陈，一种新颖的具内嵌电容的哑铃型缺陷接地结构及其在低通滤波器设计中的应用，进展。电磁场保留信函53（2015）121-126。[6] C.S. Kim，J.S.帕克A.Dal，J. 金，一种新颖的平面电路一维周期性缺陷接地结构，IEEE微波导波Lett。 10（4）（2000）131-133。[7] L.H. Weng，Y.C.郭晓文施，X.Q.陈，缺陷接地结构概述，进展。电磁场Res. B 7（2008）173-189。686A. Kumar，M. V. Kartikeyan/工程科学与技术，国际期刊20（2017）679[8] H. Liu，X.孙俊茂，微带贴片天线的光子带隙和缺陷接地结构的谐波抑制，IEEE微波无线组件Lett. 15（2）（2005）55-56。[9] A.B. Abdel-Rahman，A.K. Verma，A. Boutejdar，A.S. Omar，使用接地平面中的槽控制Hi-Lo微带低通滤波器的带阻响应，IEEE Trans. 微波理论技术 52（3）（2004）1008-1013。[10] L.H. Weng，Y.C.郭晓文施，X.Q.陈先生，缺陷接地结构的研究进展，电磁研究进展B7（2008）173-189.[11] J.S. Lim，C.S.Kim，Dal Ahn，Y.C.郑，S。陈文龙，低通滤波器之设计，硕士论文，国立成功大学。53（8）（2005）2539-2545。[12] 王文，一种基于DGS/DMS的无线局域网窄带带通滤波器的设计，载于：Proc.在国家会议上。2013年，NCC，pp。1[13] J.S. Yoon，J.G. Kim，J.S. Park，C.S.帕克，J.B. Lim，H. Cho，K.Y. Kang，一种新的DGS谐振器及其在带通滤波器设计中的应用，IEEE MTTs-Intl. 微波研讨会3（2004）1605-1608。[14] J.S. 李文，缺陷接地结构的等效电路和建模方法及其在微波电路设计中的应用，北京 ： 微 波 工程出版社，2001。（2003年）的报告。[15] F. Wei，C. J. Gao，B. Liu，H.W. Zhang，X.W.石，基于SCRLH谐振器的双陷带超宽带带通滤波器，电子。Lett. 46（16）（2010）。[16] 通用汽车Yang，R.H.金俊平，耿俊平，U形缝隙耦合结构的平面微带超宽带带通滤波器，电子学报。42（25）（2006）。[17] A. Boutejdar，M.Makkey，A.Elsherbini，A.陈晓，基于互耦方形缺陷接地结构的微带低通滤波器的设计，微波光学技术。Lett. 50（4）（2008）1107-1111。[18] F. Xu，Z. Wang，M. Xiao，J. Duan，J. Cui，Z. Zhu，M.朱，Y。刘，一种采用通孔组合的双谐振器的宽阻带紧凑型双频带通滤波器，Progr。电磁场Res.PIER-C 41（2013）81-95.[19] T.金角，澳-地徐，一种新颖的光子带隙宽阻带低通滤波器结构，IEEE Microw。导波通信 10（1）（2000）13-15。[20] X. Jin，Z.H.张丽Wang，B.R.关，基于单弯折多模DGS谐振器的小型化双频带带通滤波器，电子学。Lett. 49（17）（2013）。[21] F.C.陈汉钧Hu，J.M. Qiu，Q.X.朱，基于缺陷接地结构的超宽阻带高选择性低通滤波器，IEEE Trans. Compon. 包.制造技术5（9）（2015）。[22] 卢杰，王杰，H.顾，半模哑铃型超宽带带通滤波器的设计，电子学。Lett. 52（9）（2016）731-732。[23] F. Wei，P.Y.Qin，Y.J.郭晓文施，基于微带缺陷结构的短截线加载阶梯阻抗谐振器的多频带带通滤波器设计，微波工程与技术。 10（2）（2016）230-236。[24] A.K. Belbachir，M. Boussouis，N.A.高性能低通滤波器应用于微波混频器之C形DGS与径向短截线共振器，Progr。电磁场保留信函58（2016）97-103。[25] H. Chen，中国粘蝇D.姜，徐。陈先生，混合微带/共面波导-DGS通孔连接的宽带带阻滤波器，电子工程。Lett. 52（17）（2016）1469-1470。