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寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2014-12-31 責(zé)任編輯：echolady

【導(dǎo)讀】本文提出了新型的寬阻帶共面帶狀線低通濾波器，詳細(xì)介紹了共面帶狀線的原理及應(yīng)用。在整流天線中，低通濾波器能夠有效地阻止二次、三次諧波，能夠提高整流天線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。而且在整流天線中，寬阻帶低損耗的低通濾波器更具實(shí)際意義。

共面帶狀線（CPS）是在二十世紀(jì)七十年代提出的一種同平面的傳輸線方式，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于與有源和無(wú)源二端口器件跨接，避免了穿孔帶來(lái)的工藝麻煩。同時(shí)，CPS對(duì)介質(zhì)厚度不敏感、由不連續(xù)結(jié)構(gòu)引起寄生效應(yīng)小，高頻電磁波傳播時(shí)損耗較低等，因此，被廣泛應(yīng)用于饋電網(wǎng)絡(luò)和微波電路，如印刷偶極子天線、濾波器、耦合器、諧振器和放大器等。

在整流天線系統(tǒng)中，低通濾波器要求允許基波通過(guò)，能夠有效阻止二次、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。用于整流天線系統(tǒng)中的CPS帶通濾波器和帶阻濾波器，工作頻率處插損仿真為-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。

根據(jù)CPS不連續(xù)結(jié)構(gòu)特性的分析，半波長(zhǎng)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(guò)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電路圖。基于開環(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)用到射頻前端和整流天線系統(tǒng)中。

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，如圖1所示。根據(jù)CPS傳輸線理論，當(dāng)縫隙S不斷增大時(shí)，CPS的總損耗越來(lái)越小，而其特性阻抗變的越來(lái)越大。換句話說(shuō)，高特性阻抗的CPS結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著較小的傳輸損耗。為了得到更高的二極管轉(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(duì)介電常數(shù)為2.55，厚度為0.8mm，覆銅厚度為0.035mm。根據(jù)全波仿真軟件IE3D分析，平行傳輸線的線寬W和間距S分別為0.6mm和0.4mm時(shí)，CPS的特性阻抗Z0為172ohm。
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CPS低通濾波器的設(shè)計(jì)

1 CPS開環(huán)諧振器

本文提出的開環(huán)CPS諧振器，其結(jié)構(gòu)與等效電路如圖2所示，由長(zhǎng)度為λg/2的諧振開路環(huán)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不連續(xù)性結(jié)構(gòu)特性分析，周長(zhǎng)為λg/2開路環(huán)等效為電感Lp，開路環(huán)和傳輸線間的間距g1等效為耦合電容cp1，對(duì)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(zhǎng)度為7.4mm，線寬為0.4mm，縫隙間距g1、g2均為0.4mm，諧振頻率為9.4GHz，頻率特性如圖3（a）所示。通帶內(nèi)S21最小為-0.068dB，頻率9.4GHz時(shí)S21達(dá)到-31.8dB。根據(jù)IE3D仿真曲線圖3（b）分析，當(dāng)縫隙S、g1、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。主要是因?yàn)榄h(huán)與傳輸線、對(duì)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2 CPS開環(huán)諧振器
寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)

圖3（a） CPS開環(huán)結(jié)構(gòu)的頻響特性
寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)

圖3（b） CPS開環(huán)結(jié)構(gòu)頻響隨g2的變化趨勢(shì)

2 具有T枝節(jié)的CPS開環(huán)諧振器

為了增強(qiáng)阻帶的深度和寬度，在以上開環(huán)諧振器上加一對(duì)半波長(zhǎng)T型諧振器，其結(jié)構(gòu)與等效電路如圖4所示。半波長(zhǎng)T枝節(jié)等效為電感L’p，T枝節(jié)與傳輸線之間縫隙g3等效為耦合電容C’p。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(guò)產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)達(dá)到增加二次諧波衰減的目的。其中T枝節(jié)的長(zhǎng)度為6.6mm，開口環(huán)的長(zhǎng)度為7mm。頻率特性如圖5所示，在9.8GHz和13.6GHz處產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)，S21分別為-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)
寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)

圖5 T枝節(jié)的開環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的頻響特性

由于抑制二、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(guò)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。
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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)和等效電路如圖6所示。W和S的尺寸即為上述CPS尺寸，L1=5.6mm，L2=3.7mm，L3=3.5mm。