一種新型的寬阻帶共面帶狀線低通濾波器

一種新型的寬阻帶共面帶狀線低通濾波器1引言共面帶狀線(CPS)是在二十世紀(jì)七十年月提出的一種同平面的傳輸線方式，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)容易，易于與有源和無源二端口器件跨接，避開了穿孔帶來的工藝棘手。同時(shí)，CPS對介質(zhì)厚度不敏感、由不延續(xù)結(jié)構(gòu)引起寄生效應(yīng)小，高頻電磁波傳揚(yáng)時(shí)損耗較低等，因此，被廣泛應(yīng)用于饋電網(wǎng)絡(luò)和微波，如印刷偶極子天線、、耦合器、諧振器和等。在整流天線系統(tǒng)中，要求允許基波通過，能夠有效阻擋二次、三次諧波，以提高整流天線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。因此，在整流天線系統(tǒng)中，具有寬阻帶、低損耗的低通濾波器更具實(shí)際意義。文獻(xiàn)用于整流天線系統(tǒng)中的CPS帶通濾波器和帶阻濾波器，工作頻率處插損為-0.3dB,衰減小于-10dB的阻帶帶寬大約為6GHz,有效抑制了二次諧波，但是三次諧波抑制性能大于-5dB,而且尺寸較大。按照CPS不延續(xù)結(jié)構(gòu)特性的分析，半波長的T型開路枝節(jié)和開口環(huán)諧振電路，等效為串聯(lián)的LC電路，產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)阻帶特性。為了減小濾波器的體積，在微帶線上開槽亦具有阻帶特性。因此，通過在傳輸線內(nèi)外添加T枝節(jié)和T型槽諧振可以很好的抑制高次諧波，實(shí)現(xiàn)低通濾波器寬阻帶的設(shè)計(jì)。本文提出了一種新型的開環(huán)CPS諧振器，分析了其集總元件等效?；陂_環(huán)結(jié)構(gòu)諧振器，設(shè)計(jì)了三階CPS低通濾波器，具有尺寸小，通帶內(nèi)損耗小，阻帶帶寬寬的特點(diǎn)，有效地抑制了二、三次諧波，可以應(yīng)用到前端和整流天線系統(tǒng)中。2共面帶狀線(CPS)結(jié)構(gòu)CPS結(jié)構(gòu)具有有限大小的介質(zhì)板，1所示。按照CPS傳輸線理論，當(dāng)縫隙S不斷增大時(shí)，CPS的總損耗越來越小，而其特性阻抗變的越來越大。換句話說，高特性阻抗的CPS結(jié)構(gòu)對應(yīng)著較小的傳輸損耗［3］。為了得到更高的轉(zhuǎn)換效率，需要CPS具有低損耗、高特性阻抗的特性。圖1共面帶狀線結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計(jì)的CPS結(jié)構(gòu)低通濾波器所用介質(zhì)板的相對介電常數(shù)為2.55,厚度為0.8mm,覆銅厚度為0.035mm。按照全波仿真軟件IE3D分析，平行傳輸線的線寬W和間距S分離為0.6mm和0.4im時(shí)，CPS的特性阻抗Z0為172ohm03CPS低通濾波器的設(shè)計(jì)3.1CPS開環(huán)諧振器本文提出的開環(huán)CPS諧振器，其結(jié)構(gòu)與等效電路2所示，由長度為入g/2的諧振開路環(huán)實(shí)現(xiàn)。按照不延續(xù)性結(jié)構(gòu)特性分析，周長為入g/2開路環(huán)等效為Lp,開路環(huán)和傳輸線間的間距gl等效為耦合cpl,對稱開路環(huán)間距g2等效為耦合電容cp2。那么，圖2所示的開路環(huán)結(jié)構(gòu)可以等效為串聯(lián)的LC電路。等效的串聯(lián)諧振電路并聯(lián)在傳輸線之間，產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)阻帶特性。在圖2中，開路環(huán)的長度為7.4mni,線寬為0.4mni,縫隙間距gl、g2均為0.4nini,諧振頻率為9.4GHz,頻率特性3(a)所示。通帶內(nèi)S21最小為-0.068dB,頻率9.4GHz時(shí)S21達(dá)到-31.8dBo按照IE3D仿真曲線圖3(b)分析，當(dāng)縫隙S、gl、g2增大時(shí)，通帶內(nèi)的插損逐漸減小，諧振頻率往高頻偏移。主要是由于環(huán)與傳輸線、對稱環(huán)之間的耦合電容減小，諧振頻率變大，諧振Q值增大。圖2CPS開環(huán)諧振器圖3(a)CPS開環(huán)結(jié)構(gòu)的頻響特性圖3(b)CPS開環(huán)結(jié)構(gòu)頻響隨g2的變幻趨勢3.2具有T枝節(jié)的CPS開環(huán)諧振器為了增加阻帶的深度和寬度，在以上開環(huán)諧振器上加一對半波長T型諧振器，其結(jié)構(gòu)與等效電路4所示。半波長T枝節(jié)等效為電感I?p,T枝節(jié)與傳輸線之間縫隙g3等效為耦合電容Jpo那么T型開路結(jié)構(gòu)和開路環(huán)等效為兩個(gè)串聯(lián)的LC諧振電路，通過產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)達(dá)到增強(qiáng)二次諧波衰減的目的。其中T枝節(jié)的長度為6.6nini,開口環(huán)的長度為7mmo頻率特性5所示，在9.8GHz和13.6GHz處產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)，S21分離為-24.5dB和-37dB,展寬了阻帶。圖4具有T枝節(jié)的開環(huán)諧振結(jié)構(gòu)圖5T枝節(jié)的開環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的頻響特性因?yàn)橐种贫?、三次諧波的帶寬較寬，在CPS平行傳輸線上開槽，亦可等效為串聯(lián)的LC電路，通過產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，在不增大體積的前提下，進(jìn)一步抑制三次諧波。3.3三階CPS低通濾波器設(shè)計(jì)利用上述的開環(huán)結(jié)構(gòu)（圖2）和復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖4）設(shè)計(jì)了一個(gè)三階CPS低通濾波器，其結(jié)構(gòu)和等效電路6所示。W和S的尺寸即為上述CPS尺寸，Ll=5.6mm,L2=3.7mm,L3=3.5mmo圖6三階CPS低通濾波器通過IE3D軟件仿真得到，具有T枝節(jié)的三階CPS低通濾波器的S11、S21頻響曲線7所示。在5.8GHz、11.6GHz和17.4GHz處，S21分離為-0.095dB、-25.IdB和-13dB,很好的阻擋了二次諧波。圖7三階CPS低通濾波器頻率特性為了更好地抑制三次諧波，在W線寬上面開T型槽，其結(jié)構(gòu)與等效電路圖8所示。其中L4=4.3mm,槽寬為0.4nini。仿真曲線9所示，很好地抑制了三次諧波。在基頻、二次、三次諧波的S參數(shù)列于表1。圖8改進(jìn)型三階CPS低通濾波器圖9改進(jìn)型三階CPS低通濾波器表1改進(jìn)型三階CPS低通濾波器的頻響特性5結(jié)論本文基于CPS基本電路理論，設(shè)計(jì)了