第３２卷第１期 雷达与对抗 ＲＡＤＡＲ＆ＥＣＭ ． Ｖｏｌ＿３２ Ｎｏ．１ ２０１２年３月 Ｍａｒ．２０１２ 基于缺陷接地结构的超宽带带通滤波器的设计 金雁冰 （中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥２３００８８） 摘要：介绍了一种将阶梯阻抗耦合谐振器和开口谐振环缺陷接地结构相结合的新的超宽带 带通滤波器。利用３Ｄ场仿真软件，分析了电路的不同支节尺寸对滤波器宽带特性和频率特 性的影响，最后给出了一款超宽带滤波器的仿真和实验结果。 关键词：缺陷接地结构；超宽带；带通滤波器 中图分类号：ＴＮ７１３．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—０４０１（２０１２）０１—００５３—０４ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ＤＧＳ．．ｂａｓｅｄ ｕｌｔｒａ．．ｗｉｄｅｂａｎｄ ｂａｎｄ．．ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ 】ＩＮ ｌｅａｎ—ｂｉｎｇ （ ．３８ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＣＥＴＣ，Ｈｅｆｅｉ ２３００８８） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ ｂａｎｄ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅｐ—ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｌｉｔ－ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｄｅｆｅｃｔｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＳＲＲ ＤＧＳ）ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｕｂｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｎｄ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｆｌｔｅｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ３ Ｄ ＥＭ ｆｉｅｌｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ａｙｅ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｆｅｃｔｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＤＧＳ）；ＵＷＢ；ｂａｎｄ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ０ 引 言 超宽带（ＵＷＢ）技术具有频带宽、功耗低、传输速 度快、隐蔽性好以及多径分辨能力强、 系统容量大和高 可广泛地应用于抑制谐波、改善效率、提高Ｑ值、制作 滤波器等方面。 目前，超宽带滤波器的设计得到了迅猛的发展，而 且性能也越来越好。现有文献所报道的ＵＷＢ滤波器 主要有以下３种形式（含其变形）：低通滤波器＋高通 滤波器、带通滤波器和高通滤波器＋带阻滤波器，而滤 波器结构主要包括悬置带线（ＳＳＬ）、共面波导（ＣＰＷ）、 精度的距离分辨力等优点，在无线电通信、雷达、跟踪、 精确定位、成像和武器控制等众多领域有着广阔的应 用前景 ］。而作为其中的组成部分，超宽带滤波器扮 演着重要的角色，起着选择信号的重要作用，其工作性 能好坏直接影响到超宽带系统的整体工作性能。因 此，它的研制在工程上具有非常重要的应用价值。 缺陷接地结构（Ｄｅｆｅｃｔｅｄ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，简称 ＤＧＳ）是近期微波领域研究的热门话题之一。它是由 微带及其混合结构等。本文所研制的滤波器是将阶梯 阻抗耦合谐振器和谐振环（ＤＧＳ）相结合，设计出中心 频率７．５ ＧＨｚ、相对带宽１０６％，且选频特性好、结构紧 凑的超宽带带通滤波器。 光子带隙结构（ＰＢＧ）发展而来，改变了传统的局限于 电路板表面的元件分布和设计的视野，充分开发和利 用电路的背面，通过在微波电路的接地金属板上蚀刻 出周期性或非周期性的单元，改变接地电流的分布，从 １ 结构与仿真设计 最近，有研究者将开口谐振环应用到ＤＧＳ中，提出 了开口谐振环缺陷接地结构（Ｓｐｌｉｔ—ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｄｅｆｅｃｔｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，简称ＳＲＲ ＤＧＳ） ，其结构具 有陡峭的带隙特性和平坦的低通特性；由于可以采用在 而改变传输线的频率特性，使得某些频率的电磁波无 法在其中传输，从而在频谱上形成带隙。因此，ＤＧＳ 收稿日期：２０１２－０１－１０；修订日期：２０１２－０２—１４ 作者简介：金雁冰，女，１９７８年生，助理工程师，硕士，从事微波、毫米波电路设计。 雷达与对抗 谐振环ＤＧＳ的导带两端对称地加载开路支节来增大并 联电容，从而改善其阻带特性，在某些频率处还可以产 生衰减极点，表现出带阻，因此适合用作低通滤波器的 基本单元¨３ Ｊ。此结构要想构成带通滤波器，就需要与其 他结构配合；而对于阶梯阻抗耦合谐振器，当频率较低 时，耦合节问的容抗较大，耦合作用很弱，大部分信号反 射回到信号源端，只有少量信号耦合到输出端，故低频 端的回波损耗非常大，表现出明显的高通特性。本文将 这两种结构相结合，在阶梯阻抗谐振器的折叠线下方接 地面引入谐振环ＤＧＳ。这具有两个重要的作用：第一， 它通过减小上表面电路与地板之间的耦合，来增强阶梯 阻抗耦合单元之间的耦合，从而增加工作带宽；第二，通 过缺陷单元扰乱微带接地板上屏蔽电流的分布，改变介 质材料的有效介电常数，从而改变微带线的分布参数， 实现慢波效应和带阻特性，具有抑制寄生通带的作用， 为超宽带滤波器宽带设计提供依据。基于这种设计思 想，在这里，所采用的正面电路阶梯阻抗耦合谐振器和 背面电路ＳＲＲ ＤＧＳ构分别如图１、图２所示。 －一 Ｊ ＿－一 ｌ 一 一 ｌ 图１ 阶梯阻抗耦合谐振器 图２开口谐振环缺陷接地结构 由于滤波器的带宽主要由传输曲线频率高、低端 的衰减极点所决定，在频率高端，通过调整耦合节的长 度，可以控制高频端衰减极点的位置。图３、图４为随 耦合支节ＩＪ１和Ｌ２的长度变化，利用仿真软件为 ５４．－－—— ２０１２年 第１期 Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＣＳＴ，所得出的相应的频率高端衰减极点位 置改变的扫描曲线图。该电路所采用介质基板为 Ｒｏｇｅｒｓ公司ＲＴ６００２，其介电常数￡ ：２．９４，厚度ｈ： ０．５０８ ｍｍ。从扫描曲线图可以看出，在保证通带插入 损耗不变的情况下，减小耦合线Ｌｌ和Ｌ２的长度，频率 低端的衰减极点基本不变，而高端衰减极点则向频率 高端移动，从而增大整个通频带范围。 －１ Ｉ＝３． ＝：＝．｝一 Ｉｌ＝５寸 率（ＧＨｚ） 图３ 衰减极点随耦合支节Ｌ１长度变化曲线 ｆ ｌ ｛ ｔ一 ，２＝３一 ｌ ” 蕊 蠹 ’ ｆ ，●● 捌军∽Ｉ｛ｚ） 图４衰减极点随耦合支节Ｌ２长度变化曲线 在频率低端，背部电路的缺陷接地宽度Ｌ４和长度 ＩＪ５对频率低端的衰减极点位置影响较大，通过改变这 些尺寸，可以实现频率低端的传输极点的位置控制。 图５、图６分别为改变Ｌ４和Ｌ５的尺寸所对应的低端 衰减极点位置的改变的扫描曲线图。所采用的仿真软 件和介质基板均与上同。 综上所述，通过分别改变不同电路支节的长度，可 以得到不同滤波特性的滤波器。 由于周期单元结构可以改变阻带的深度，级联上 述结构单元，不但可以抑制寄生通带，而且还可以大大 改善矩形系数，提高滤波性能。现采用两个级联单元 进行仿真设计，电路结构及Ｓ参数仿真结果分别如图 ７、图８所示（采用仿真软件为Ａｎｓｏｇ ＨＦＳＳ，采用介质 金雁冰 基于缺陷接地结构的超宽带带通滤波器的设计 基板仍为上述的ＲＴ６００２）。 ：ｉ＝＝： 册 、㈨ ｌ ＿ｖ Ｉ『 ５ ｌ０ Ｉ５ 翱蹿；（ＧＨｚ） 衰减极点随耦合支节ＩＪ４长度变化曲线 ｛ ｓ ＝４Ｉ２５ 一 ………／ 厂／厂～。 ： １７５ Ｉ … Ｌ ＼ 、 ． 二 ●●●● 顺率（ＧＨｚ） 图６ 衰减极点随耦舍支节Ｌ５长度变化曲线 图７ 电路仿真结构 √ ｆ ＳＩ２．１Ｉ Ｉｆ＼ ／／，■ 诅缸 ｝ ．／＼／ｖ＼ ，／八 厂 ｌ ｙ Ｉ ’厂 频率ｉ、ＧＨｚ） 图８ Ｓ参数仿真结果 图８仿真结果显示，该滤波器在３．５～１１．５ ＧＨｚ 的通频带内，插入损耗小于０．３ ｄＢ，驻波小于一ｌ２ ｄＢ， 在频率的高低两端，均存在衰减极点，相对带宽 １０６％，具有较宽的传输带宽和较好的矩形系数，可以 满足超宽带滤波器的设计要求。 ２ 测试与分析 根据图７、图８仿真的结构及仿真尺寸制作了滤 波器。该滤波器的输入输出为ＳＭＡ，装配实物正面如 图９、背面如图ｌ０所示。 图９ 实物正面 图１０ 实物背面 利用Ａｇｉｌｅｎｔ的矢量网络分析８７２０ＥＴ，对装配好 的滤波器进行测试，测试结果如图１１所示。可以看 出，在通带３．５～１１．５ ＧＨｚ的频率范围内，大部分频点 插损在一２ ｄＢ左右，最小插损为０．７ ｄＢ，最大插损为 ３．７ ｄＢ，带内驻波在一９．６ ｄＢ以下，具有较好的矩形 度。从Ｓ参数测试和仿真结果比较可以看出，二者之 间的曲线走势基本一致，但某些频点的插入损耗较大。 经分析，主要原因可归纳为以下几点：（１）所用电路板 材较薄，焊接和测试时均存在不同程度的微弯现象，可 能导致一些额外的反射；（２）所敷铜层较薄，焊接及测 试时ＳＭＡ接头易导致表面微带金属层的剥离，反复焊 接使得馈线的输入输出阻抗有所改变；（３）背面的缺 陷接地增大了整个电路的辐射损耗。这些因素均可导 一５５— 雷达与对抗 致其损耗增加。如果采用损耗小、厚度大的基板，并减 少反复焊接次数，其损耗将会得到一定的改善。 Ｏ ｌ【ｊ ２０ ２０１２年 第１期 制工艺，具有精度可靠、成本低廉、结构紧凑及尺寸小 的特点。虽然因某些原因导致了其损耗增加，但总的 来说还是较好地达到了超宽带滤波器的设计要求。 参考文献： 一、罨 等圳 ｝ 一［１］ 高山山．超宽带微带带通滤波器的研究与设计 ［Ｄ］．电子科技大学论文． ［２］ ｗＵ Ｂｉａｎ，ＬＩ Ｂｉｎ，ＬＩＡＮＧ Ｃｈａｎｇｈｏｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｗ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ｎｏｖｅｌ ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ５【】 ＾ｏ ７０ 率（Ｇ ｛ｚ） ｄｅｆｅｃｔｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｅｔｔｅｒｓ，２００７，４９（２）：２８８—２９１． 图１１测试结果 ［３］付树洪，童创明，李西敏．一种新颖的开口环地 ４ 结束语 该超宽带带通滤波器制作采用一般的微带电路印 舢 面缺陷结构低通滤波器［Ｊ］．电波科学学报， ２００９，２４（６）． 舢 Ｊ止 ．５＾Ｌ （上接第４５页） ＲＳ２３２串口通信采用波特率为１９２００ｂｐｓ，ＣＡＮ控 得到了广泛应用，取得了较好的效果。该系统的稳定 制器采用ＰｅｌｉＣＡＮ模式，波特率设置为１００ｋｂｐｓ。终端 ＣＡＮ节点功能模块的流程图如图５。 性以及实时ｌ生都得到了验证。 参考文献： ３ 结束语 本文设计的系统是基于ＣＡＮ总线的分布式监控 ［１］ 饶运涛，邹继军，王进宏，等．现场总线ＣＡＮ原 理与应用技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出 版社，２００３． 系统，每个ＣＡＮ节点以单片机为核心，利用ＣＡＮ控制 器来收发数据。与传统基于ＲＳ－４８５总线的监控系统 相比，该系统数据传输率高，可靠性极高，抗干扰能力 强，具有非破坏性总线仲裁，支持竞争，在实际中已经 妊妇’壹妊业窖ｋｒｊ 业夸ｋ－ 自ｋ－夸 ｒ业ｊ ， ｋｒ 业 Ｉ ｒ宣 ｊ ｊ ｊ 夸 ［２］ 王幸之，王雷，钟爱琴，等．单片机应用系统抗干 扰技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版 社，２０００． 窜ｋｒ 坐 音 簟夸 ｒ 坐ｊｋ— Ｉ 夸ｌｅｒ， ｊ 业坐夸 尘 （上接第４８页） 参考文献： ３ 结束语 本文提出的自适应雷达视频压缩方法是一种综合 了地理环境信息、气象水文信息及雷达视频特征的视 频压缩方法，可实现雷达视频信号的无损压缩，并减少 压缩时问。在实际应用中，采用雷达视频自适应压缩 ［１］ 多频连续波雷达数据实时压缩算法设计，来源 互联网． ［２］ Ｒａｙ Ｇ，Ｈａｒｉｓａ ＪＲ，Ｓｅｓｈａｄｒｉ Ｓ．Ｄａｔａｂａｓｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ： Ａ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｎｈａｎｃｅＩｌ＇￣ｎ ｔｏｏｌ［Ａ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｆｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｄａｔａ［Ｃ］．Ｉｎｄｉａ：Ｔａｔａ ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ，１９９５，１０６—１２５． 方法后，在一部２ ＧＨｚ的处理器上运行时，约可达到 ２０～５０ ＭＢ每秒的压缩速，８０～１２０ ＭＢ每秒的解压速 度，压缩率达到原数据大小的１％一１５％，并实现了无 损压缩。 ［３］ＰｏｅｓｓＭａｎｄ Ｐｏｔａｐｏｖ Ｄ．Ｄａｔａ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｎｏｒａｃｌｅ ［Ａ］．Ｉｎ：ＦｒｅｙｔａｇＪＣ，Ｌｏｅｋｅｍａｎｎ ＰＣ，ｅｄｓ．Ｐｒｐｅ．ｏｆ ｔｈｅ ２９ｔｈ Ｉｎｔ ｌ Ｃｏｎｆｉｏｎ Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ｄａｔａ Ｂａｓｅｓ［Ｃ］． Ｍｕｍｂａｉ：Ｍｏｒｇａｎ Ｋａｕｆｍａｎｎ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｉｎｃ，２００３， ９３７－９４７． 一５６一
