用于无线应用的带缺陷接地结构(DGS)的多频带介质谐振器滤波器(IJISA-V6-N9-5)

基于DGS实现微波多频带及宽带滤波器设计基于DGS实现微波多频带及宽带滤波器设计摘要：微波滤波器作为微波器件中的重要组成部分，在无线通信、雷达、航空航天等领域中有着广泛的应用。

而宽带滤波器和多频带滤波器则更具有实际应用价值。

本文介绍一种基于DGS实现微波多频带及宽带滤波器的设计方法。

利用仿真软件完成电路设计，采用微带线、共面波导等传输介质，采用DGS 结构设计，实现陷波器。

通过仿真与实验数据的对比，表明此设计方案可以实现宽带、多频带滤波器的设计，具有设计参数调整性好、阻带抑制效果好、传输特性稳定等优点。

关键词：微波滤波器、多频带、宽带、DGS结构、传输特性引言微波滤波器主要用于频率选择和频带滤波，它在通信和雷达系统中具有重要作用。

然而，传统的微波滤波器具有体积大、性能差等问题，因此宽带及多频带微波滤波器设计对于微波器件的研发来说至关重要。

为此，设计一种基于DGS实现微波多频带及宽带滤波器的设计方案，有跨越传统微波滤波器的性能优势。

设计思路本文根据DGS微带线及共面波导结构的一些特性，提出了一种多频带、宽带滤波器的设计方案。

借鉴GNC-2陷波器的设计思路，通过改变DGS的结构，将传输介质的谐振频率调整到需要的频率范围内，从而实现陷波器的设计。

DGS结构的变化会引起传输介质调谐频率的变化，因此DGS结构的设计是关键和难点。

设计方案1. 选取微带线、共面波导作为传输介质微带线具有体积小、重量轻、成本低等优点，且制作简单，满足宽带滤波器的需求。

共面波导具有在较宽的频率范围内保持传输功率的能力，因此适用于多频带滤波器设计。

2. 设计DGS陷波器将DGS结构分别加入共面波导和微带线中，产生谐振频率的变化，实现陷波器的设计。

具体的DGS结构设计包括控制DGS中的L、C值，控制DGS单元的宽度、长度等方面。

3. 完成电路设计综合上述设计要素，完成陷波器的电路设计。

利用仿真软件完成参数的调整，确定最终的电路设计方案。

一种基于DGS的宽带双极化三角元微带天线
宋海;华光;洪伟
【期刊名称】《微波学报》
【年(卷),期】2005(21)4
【摘要】本文设计并研制了一种含缺陷地板结构(DGS)的宽带双极化等边三角形微带天线单元。

通过在贴片天线地板上刻蚀圆孔实现DGS结构。

天线工作在2.4GHz频率上,VSWR≤2的带宽为7.2%,绝对带宽173MHz,比不带DGS结构的同类天线带宽增加60MHz。

【总页数】4页(P27-30)
【关键词】微带天线;带缺陷地板结构(DGS);双极化;等边三角形;宽带;地板结
构;2.4GHz;天线带宽;天线单元;贴片天线
【作者】宋海;华光;洪伟
【作者单位】东南大学无线电工程系毫米波国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN822.4;G633.63
【相关文献】
1.一种宽带高隔离度双极化柔性微带天线 [J], 詹珍贤
2.一种新型Ku频段宽带高增益双极化微带天线阵列 [J], 陈振宁;梁仙灵;叶声;王文智;徐烨;耿军平;金荣洪
3.一种新型双环宽带圆极化微带天线设计 [J], 苏丹;朱永忠;邓欣;刘颖
4.一种P波段宽带双极化微带天线阵列 [J], 赵后亮;尹家贤
5.一种双圆极化低剖面宽带微带天线 [J], 周进;王玉峰;徐俊梅;
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应用DGS设计低通滤波器王会;杨晓冬;谭小花【摘要】地面缺陷结构(DGS)是通过在微带线的接地面上蚀刻出缺陷图形而形成的微波结构,它具有带阻效应和慢波特性,从而能有效抑制高次谐波,进而改善滤波器的特性,提高接收机的灵敏度.在分析DGS等效电路及其频率特性的基础上,通过比较仿真加载微带线DGS前后的低通滤波器性能的变化,验证DGS优良的阻带效应.HFSS仿真结果证明,该滤波器在满足带内插损要求的前提下,能够将二次谐波抑制在70 dB以上,故而该结构具有广泛的应用前景.最后将所设计的滤波器进行实物加工,测试曲线与仿真结果吻合良好.【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2012(039)006【总页数】4页(P58-61)【关键词】缺陷地结构;抑制谐波;低通滤波器;HFSS;微带线【作者】王会;杨晓冬;谭小花【作者单位】哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海201802【正文语种】中文【中图分类】TN713.5随着移动通信技术的迅猛发展，当前多种通信系统并存，但不同的信号会在接收系统中产生大量谐波，从而影响接收机灵敏度；因此，作为接收机系统前端的关键部件，滤波器抑制谐波的能力急待提高.在以往的相关研究中，阶梯阻抗（steppedimpedance resonators，SIR）滤波器的第二通带中心频率较远，阻带较宽；但是这种结构相对来说体积比较大，不利于实现小型化[1].当微波电路既要抑制谐波又要在有限的物理空间中实现时，缺陷地结构（defected ground structure，DGS）得到了广泛的应用.它是在微带线背面（接地面）蚀刻出一定形状的图形，蚀刻缺损改变了接地面上的电流分布，从而改变微带线的等效电感和电容，使得在某个频点上出现谐振（带阻效应），这种谐振可以抑制一些谐波.另外，由于这种结构具有慢波特性，因此使用这种结构实现的无源器件通常尺寸较小[2].文中预设计的DGS低通滤波器使用高低阻抗线来实现滤波器的通带性能，并在HFSS中仿真加载DGS前后阻带性能的变化，进一步说明DGS的优良电特性.最后，将所设计的滤波器进行实物加工，测试曲线与仿真结果吻合良好.1 哑铃型DGS的频率特性及其等效电路传统的哑铃型DGS结构的缺陷部分是用矩形来实现的，当然也可以采用其他的几何形状如三角形、圆形等[3].如图1所示，在50 Ω微带线下方的接地金属板上蚀刻出2个对称的矩形，矩形长为a，宽为b，相连窄缝的宽度是g，高度取为50 Ω微带线的线宽.该结构具有单极点低通特性、慢波效应以及较高的特征阻抗，很适合在微波电路中广泛应用[4].DGS的哑铃区域将改变微带线地板电流的分布，最终改变微带线的特性，这种改变可用等效的电容和电感来表示.为了研究DGS单元的频率特性，用HFSS进行3-D场仿真，结果如图2所示.图1 DGS微带线结构图2 DGS的频率特性（a=1.8 mm，b=1.25 mm，g=0.2 mm，εr=2.2，h=0.25 mm）从图2的仿真结果不难看出：单个DGS单元具有单极点低通滤波器的带阻特性；而LC并联电路具有带阻特性，因此，单个的DGS可用LC并联电路等效，如图3（a）所示.另外，从图2中还可以看出，DGS的频率特性曲线由3 dB截止频率ωc和谐振频率ωo决定，而这种响应特性与一阶Butterworth低通原型滤波器（如图3（b）所示）的频率响应相似[5]，从而将两者相比较，可进一步求得其等效电路的参量值.图3 DGS等效电路与一阶巴氏低通原型滤波器ωo是并联LC电路谐振角频率，对应于图2衰减极点的位置[6].对于一阶Butterworth低通原型滤波器，其串联电抗可表示成式（2）：式中：ω′是归一化截止角频率，ZO是传输线输入输出端口的特性阻抗值，一般为50 Ω，g1为一阶Butterworth低通原型滤波器的归一化电感元件值，g1=2[7]. 前文提到DGS单元的频率特性曲线与一阶Butterworth低通原型滤波器的频率响应近似，因此，不妨令图3（a）中DGS等效电路的电抗值与图3（b）中一阶Butterworth低通滤波器的电抗值相等，即从以上等式关系可以得到DGS等效电路的并联电容：其中，DGS单元的电抗值可表示成式（1）形式：一旦得到等效电路的电容值，便可由谐振条件得到等效电路的电感值为通过式（4）、（5），便能得到图 1所示 DGS 等效LC并联电路的参量值.进一步分析发现，给定介质（介电常数和介质厚度都相同）的微带电路，DGS单元的频率特性主要受以下2个因素影响，即蚀刻矩形区域的面积（ab）和相连窄缝的宽度g.具体来说，蚀刻的矩形缺陷面积（ab）影响其有效电感，随着蚀刻面积的增大，等效电感增大，相应的谐振频率低移；相连窄缝的宽度g和微带线的有效电容有关，随着宽度减小，等效电容增加，也使相应的谐振频率低移[8-9].综合以上分析，在预设计的低通滤波器中应用这种DGS单元将有效抑制其高次谐波.2 DGS低通滤波器的设计与仿真预设计的DGS低通滤波器采用n=9阶的巴氏低通滤波器原型，其等效电路如图4所示.图4 n=9阶的低通滤波器原型串联电感 L1、L3、L5、L7、L9 用高阻抗线来实现，并联电容 C2、C4、C6、C8用低阻抗线来实现，最终的拓扑结构如图5所示[10].图5 低通滤波器拓扑结构采用介电常数εr=2.2，厚度h=0.25 mm的聚四氟乙烯介质基板.在此介质下，将输入输出端口的50 Ω微带线宽设定为0.75 mm.不难知道，该滤波器为对称结构，其谐振杆长度分别为5.1、6.36 mm，谐振杆之间的距离分别为3.2、3.54 mm.在HFSS中建模仿真如图6（a）所示，相应的仿真结果如图6（b）所示.图6 低通滤波器的仿真模型及其仿真结果为了更明晰地验证DGS的带阻特性，在前文已仿真的哑铃型DGS单元基础上（abg=1.8 mm×1.25 mm×0.2 mm），仿真出另一种DGS单元尺寸：abg=1.5mm×1.5 mm×0.2 mm，不改变低通滤波器原有的谐振结构，而在其反面的接地板上蚀刻出这3个哑铃型DGS单元，HFSS中的建模仿真如图7（a）所示.稍加调谐优化，可得相应的仿真结果如图7（b）所示.图7 DGS低通滤波器的仿真模型及其仿真结果图8为未加载和加载DGS时低通滤波器的性能对照，可以看出，2种滤波器都能够实现6 GHz的低通特性，其插损分别为0.13、0.04 dB，相差不大；但在12 GHz的频点处，未加载DGS的低通滤波器的衰减只有38.41 dB，而加载DGS的低通滤波器的衰减却高达71.4 dB.显然，加载DGS能在不改变低通滤波器原有通带性能的同时，有效抑制滤波器带外的高次谐波，很方便地实现了拓宽阻带的目的.正如所设计的低通滤波器，其40 dB阻带范围可从原来的小于12 GHz扩到15 GHz以上，从而有力证明了DGS结构具有优良的带阻特性，为实际工程应用提供参考.图8 加载DGS前后低通滤波器的性能对照3 滤波器的实现与测试结果如图9所示，将上文得到的DGS低通滤波器进行实物加工，输入输出采用SMA 接头，在厚度h=0.25 mm、εr=2.2的微波介质基片上实现了该6 GHz低通滤波器.从实物图中可以看到，该滤波器体积小巧.图9 DGS低通滤波器的实物将滤波器实物利用安捷伦微波矢量网络分析仪进行测试，测试结果如图10所示. 图10 DGS低通滤波器的测试曲线从图10可以看出，所设计、实现的6 GHz低通滤波器带内特性良好，插损约为0.87 dB；在带外12 GHz的衰减高达87 dB，很好地抑制了二次谐波.另外，对比图10及图7（b）可以看出，两者吻合良好；但测试结果的带内插损略高于仿真值，这是由于它包括了接头引入的插入损耗，且加工精度不够也会带来插损的增加.4 结束语首先分析了哑铃型DGS的等效电路及其频率特性；然后通过HFSS仿真未加和加载DGS的低通滤波器，比较分析它们的频率特性，设计的滤波器既保证了DC-6GHz频段内良好的通带特性，又有效抑制了二次谐波，即在12 GHz的频率处抑制电平高达70 dB以上，从而证明了DGS具有优良的带阻特性和慢波特性；最后，将由理论得到的DGS低通滤波器投产加工，再一次验证了DGS结构滤波器具有小型化的优势.将DGS应用于滤波器中，能在不影响通带性能的同时，有效地抑制二次谐波，拓宽了阻带范围，改善了滤波器的整体性能.另外，DGS是在微带板的接地面上蚀刻的简单结构，不需要增加原微波结构的尺寸，从而节省了电路尺寸，很适宜微波集成小型化的需求，必将广泛应用于今后各微波电路中.参考文献:[1]YU Weihua， MOU Jinchao， LI Xiang， et al.A compact filter with sharp-transition and wideband-rejection using the novel defected ground structure[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2009，23:329-340.[2]LIM JongSik.Design of low-pass filters using defected groundstructure[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，2005，53:2539-2544. [3]AHN D，PARK J S.A design of the low-pass filter using the novel micro-strip defected ground structure[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，2001，49:86-91.[4]QIAN Y，YANG F R，ITOH T.Characteristics of micro-strip lines on a uni-planar compact PBG ground plane[C]//Asia-Pacific Microwave ConfDig.Yokohama，Japan，1998:589-592.[5]KIM C S，LIM J S，NAM S，et al.Equivalent circuit modeling of spiral defected ground structure for micro-strip line[J].Electronics Letters， 2002，38（19）:1109-1110.[6]SUN Yu， XU Ruimin， ZHANG Yong.A design of the novel low-pass filter using defected ground structure[C]//APMC2005 Proceedings.Suzhou，China，2005.[7]KIM T，SEO C.A novel photonic bandgap structure for lowpass filter of wide stopband[J].IEEE Microw Guided Wave Lett， 2000， 10（1）:13-15. [8]LIM J S，PARK J S，LEE Y T.Application of defected ground structure in reducing the size of amplifiers[J].IEEE Microw Wireless Compon Lett， 2002，12（7）:261-263.[9]林强，张祖荫，郭伟.DGS微带线滤波器设计[J].现代雷达，2005， 27（6）:52-55.[10]甘本鄵，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：科学出版社，1973：191-197.。

微带DGS低通滤波器的设计
倪春;吴先良;安士全
【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》
【年(卷),期】2010(005)002
【摘要】研究了实现DGS(defected ground structure)低通滤波器的方法.DGS 滤波器具有很好的慢波、带阻特性,可以有效地改善滤波器特性.利用电路分析法讨论了DGS微带线的等效LC电路及其参数提取.研究了加窗技术在微带缺陷地结构中的应用,仿真表明加窗技术可以有效地改善带内平坦度.制作了相应的实际电路,仿真结果和实验测试结果基本吻合.
【总页数】4页(P217-220)
【作者】倪春;吴先良;安士全
【作者单位】安徽大学,电子科学与技术学院,合肥,230039;安徽大学,电子科学与技术学院,合肥,230039;中国电子科技集团公司第38研究所,合肥,230031
【正文语种】中文
【中图分类】TN957.8
【相关文献】
1.应用DGS设计低通滤波器 [J], 王会;杨晓冬;谭小花
2.基于DGS微带低通滤波器的改进设计 [J], 王智广;韩亮;吕飞
3.基于DGS和SIR单元的超宽阻带低通滤波器设计 [J], 胡成康;杨维明;杨武韬;谢绰;曹雄斐
4.一种新型微带DGS低通滤波器设计 [J], 曹毅;王光明
5.基于SISS结构的DGS微带低通滤波器研究 [J], 倪春;张量;吴先良;郑娟
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基于DGS滤波器的低功率整流天线设计刘双兵【期刊名称】《巢湖学院学报》【年(卷),期】2014(0)6【摘要】Based on the defected ground structure (DGS) filter, the rectifying antenna (rectenna) with high efficiency is de-signed to be applied to the system of wireless energy transmission in the low-power conditions. In view of its characteristics of wide band-rejection and high gain, the aperture coupled microstrip antenna is used as the receiving antenna and through simu-lation this antenna possesses the resonance frequency of5.8GHz with a high gain of 8.2 dB.A DGS dc-pass filter is designed to block the AC signal from transmitting to the load. Both of the antenna and the filter are simulated by using HFSS and the rectenna is simulated in an optimal way by applying the ADS software of radio frequency simulation.The simulation result shows that for the rectenna the conversion efficiency between DC and microwave arrives at 51.8%in 3 dBm of the input power.%设计了一种基于缺陷地结构（DGS）滤波器的高效率整流天线，可应用于低功率条件下的无线能量传输系统中。

一种基于缺陷地结构的小型三角微带天线作者：姚佩张斌珍段俊萍孙玉洁来源：《现代电子技术》2018年第03期摘要：设计一种基于缺陷地结构（DGS）的三角形微带天线，通过在三角形贴片表面和三角形接地面上分别嵌入冰晶状槽和DGS实现双频操作，同时增加了天线的带宽，并使用Ansoft HFSS软件对天线进行仿真，天线覆盖Wimax 3.5/5.5 GHz两个频段，对应的10 dB回波损耗带宽分别是9.1%（3.36～3.68 GHz）和1.8%（5.45～5.55 GHz）。

此外，通过对介质基板的形状进行比较后发现，与通常使用的矩形介质基板相比，三角基板具有更好的阻抗带宽和更小的体积。

最后，对天线进行加工和测试，在3.5 GHz和5.5 GHz频段对应的实测带宽是8%（3.38～3.66 GHz）和1.6%（5.44～5.53 GHz），测试与仿真结果基本一致。

关键词：三角形微带天线；缺陷地结构；三角形基板；双频操作； Wimax；冰晶状槽中图分类号： TN823+.16⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）03⁃0006⁃04Abstract： A triangular microstrip antenna based on defected ground structure （DGS） was designed. The slot in ice crystal shape and DGS are embedded on the surface of the triangular patch and triangular ground connection to realize the dual⁃frequency operation， which can extend the bandwidth of the antenna. The Ansoft HFSS software is used to simulate the antenna. The antenna covers the frequency bands of Wimax 3.5/5.5 GHz， and their bandwidths corresponding to 10 dB return loss are 9.1% at 3.36～3.68 GHz and 1.8% at 5.45～5.55 GHz respectively. In comparison with the commonly⁃used rectangular substrate， the triangular substrate has more perfect impedance bandwidth and smaller size. The antenna was processed and tested. At 3.5 GHz and 5.5 GHz frequency bands， the corresponding measured bandwidths is 8% at 3.38～3.66 GHz and 1.6% at 5.44～5.53 GHz， which are consistent with the simulation results.Keywords： triangular microstrip antenna； DGS； triangular substrate； dual⁃band operation； Wimax； ice crystal shaped slot0 引言微带天线[1⁃2]是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片、一面全部敷以金属薄层作接地板而成；辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状。

收稿日期：2017年6月9日，修回日期：2017年7月30日作者简介：张衡伏，男，硕士，研究方向：电子设备电磁兼容及信号处理。

杨永侠，女，教授，研究方向：电子设备电磁兼容及信号处理。

∗1引言自伽利尔摩·马可尼于1901年首次使用无线电波越过大西洋以来，无线通信技术就在飞速发展。

Wi-Fi 作为一种短距离无线技术和网络传输标准，通常使用2.4GHz 特高频（UHF ）或5GHz 超高频（SHF ）的射频频段［1］。

作为第四代移动通信系统（4G ）和有线网络的补充，Wi-Fi 在无线局域网中发挥着举足轻重的作用。

现代通信系统正朝着微型化和高性能方向发展，而滤波器是现代通信系统中至关重要的器件［2］。

因此，设计高性能的小型化带通滤波器十分必要。

基片集成波导（SIW ）兼具波导结构和微带线的共同优点［3］，为设计这类滤波器提供了一种不错的选择；而缺陷地结构（DGS ）具有慢波特性［4］，能在电长度相同的情况下，减小电路的物理尺寸，易于小型化设计。

利用偏置金属通孔的电感特性和耦合原理，文献［5］在SIW 上下表面的中心位置加载偏置金属通孔，设计了一款中心频率5.25GHz 的无线局域网（WLAN ）带通滤波器。

该滤波器通带平坦，插入损耗偏大，带内回波损耗优于-20dB ；带外抑制性能良好，在5.25±0.35GHz 处的衰减小于-30dB ；但是该滤波器的尺寸过大，达到24mm×130mm ，不符合通信系统小型化设计的要求。

为了满足小型化设计和高性能的需求，本文提出一种新型的槽线DGS ，在SIW 的金属地平面上加载该结构，利用槽线DGS 在SIW 谐振腔中产生微扰，结合槽线DGS 的带阻特性和SIW 的高通特性，设计了一款高性能的小型化Wi-Fi 带通滤波器。

基于SIW 和槽线DGS 的Wi-Fi 带通滤波器的设计∗张衡伏杨永侠（西安工业大学电子信息工程学院西安710021）摘要提出一种新型的高性能小型化Wi-Fi 带通滤波器，在SIW 的金属地平面上加载槽线DGS ，利用SIW 的高通特性和槽线DGS 的带阻特性及其产生的微扰构成带通滤波器。

基于DGS结构的超宽带高通滤波器设计作者：张山杉来源：《现代电子技术》2010年第13期摘要:介绍目前应用于微波平面电路小型化领域的DGS结构,通过仿真试验研究了DGS结构对耦合微带双线的影响,基于仿真结果设计小型化、结构简单的超宽带高通滤波器,并制作实物进行测量,实测数据与仿真结果基本吻合。

关键词:微波平面电路; 缺陷地面结构; 耦合微带线; 高通滤波器中图分类号:TN713 文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)13-0194-04Design of Ultra Wideband High-pass Filter Based on DGSZHANG Shan-shan(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)Abstract: The defected ground structure(DGS) which is applied to the field of microwave planar circuit miniaturization is presented. The impact of DGS on coupled micro-strip is studied by simulation experiment, a ultra-wideband microwave high-pass filter with miniaturization and simple structure based on simulation result is designed, and the real circuit is built and measured, the simulation result of the high-pass filter agrees well with the performance of the real circuit.Keywords: microwave planar circuit; defected ground structure; coupled micro-strip; high-pass filter0 引言在微波集成电路中,为了抑制低频杂散,通常要使用小型化的高通滤波器,对于微波集成电路来说,微波高通滤波器一般有两大类设计方法[1],第一类是用集中或半集中的元件实现,高通滤波器的衰减特性由相应的低通原型的衰减特性经过适当的变换得出。