褚慶昕，黃健全，劉傳運(yùn)

(華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州 510640)

超寬帶無(wú)線技術(shù)具有高數(shù)據(jù)傳輸率、低發(fā)射功率及簡(jiǎn)單的碼率差錯(cuò)控制等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于近距離高速無(wú)線通信．超寬帶帶通濾波器作為建立超寬帶電路和系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，要求在 3.1～10.6,GHz的通帶內(nèi)插損小、群延時(shí)平坦，具有良好的高低端頻率選擇性及帶外抑制能力．

近年來(lái)，各種類型的超寬帶(ultra wide band，UWB)帶通濾波器(band-pass filter，BPF)得以提出[1-9]．高通濾波器與低通濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的超寬帶濾波器[1]具有很好的帶外抑制能力，但往往尺寸較大；文獻(xiàn)[2]提出了一種準(zhǔn)集總元件實(shí)現(xiàn)的超寬帶帶通濾波器，帶內(nèi)插損及占用電路面積較小，同時(shí)具有較寬的高端阻帶；采用各種多模諧振器設(shè)計(jì)超寬帶帶通濾波器為近期的研究熱點(diǎn)[3-7]，這類濾波器具有較長(zhǎng)的傳輸線結(jié)構(gòu)，帶內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)傳輸極點(diǎn)，插損較小，但其高端阻帶較窄；還有其他方式可以實(shí)現(xiàn)超寬帶帶通濾波器，如多層寬?cǎi)詈辖Y(jié)構(gòu)[8]、帶缺陷地的平行耦合結(jié)構(gòu)[9]等．

與傳統(tǒng)右手傳輸線相比，采用復(fù)合左右手(composite left/right-handed，CRLH)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)帶通濾波器，能大大減小器件尺寸，增加帶寬[10]．但為了獲得較好的選擇性，一般需將多個(gè) CRLH單元級(jí)聯(lián)，這樣會(huì)增加濾波器的帶內(nèi)插損．在文獻(xiàn)[11]中，采用 2個(gè) CRLH單元設(shè)計(jì)了一系列超寬帶帶通濾波器，測(cè)試相對(duì)帶寬達(dá)到了72%，帶內(nèi)測(cè)試插損約為2.6,dB．

本文提出的超寬帶濾波器僅采用一個(gè) CRLH結(jié)構(gòu)單元，該CRLH單元的串聯(lián)電容和并聯(lián)電感分別由面面耦合[12]的平板電容和短路支節(jié)線形成．單元內(nèi)存在交叉耦合，適當(dāng)調(diào)整交叉耦合電容及左右手參數(shù)，將產(chǎn)生3個(gè)可控傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)具有良好選擇性的超寬帶帶通濾波器．實(shí)際制作的濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸為0.47λ0×0.28 λ0(λ0為濾波器中心頻率6.85,GHz 的導(dǎo)波長(zhǎng))；3.1～10.6,GHz的帶內(nèi)測(cè)試插損小于 1.5,dB；同時(shí)具有較寬的高端阻帶及平坦的帶內(nèi)群延時(shí)．

1 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 CRLH單元特性

本文提出的超寬帶濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖 1(a)～(c)所示．CRLH 單元等效集總電路由串聯(lián)電容 CL、并聯(lián)電感 LL構(gòu)成，單元的寄生效應(yīng)則等效為并聯(lián)電容CR和串聯(lián)電感 LR，與傳統(tǒng)的 CRLH 結(jié)構(gòu)不同的是，在單元內(nèi)部引入了交叉耦合電容 Cg，如圖 2所示．

圖1 超寬帶濾波器電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematics of the proposed UWB BPF

圖2 CRLH單元等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model of the CRLH unit cell

根據(jù)Bloch理論，由該單元周期性構(gòu)成的CRLH傳輸線(transmission line，TL)的傳播特性可以表示[13]為

式中：γ為傳播常數(shù)；ω為工作頻率；p為CRLH單元長(zhǎng)度；A為CRLH單元對(duì)應(yīng)的傳輸函數(shù)矩陣第一元素，即

由圖3所示的CRLH單元的色散及衰減特性可見(jiàn)，交叉耦合電容的引入對(duì)于 CRLH單元的左手通帶基本沒(méi)有影響，但會(huì)明顯增加其右手通帶的相移．同時(shí)，右手通帶帶寬也隨著Cg增加而減小．

圖3 不同交叉耦合電容下CRLH單元的色散及衰減特性Fig.3 Dispersions and attenuations diagram with various Fig.3 cross-coupled capacitances for the CRLH unit

由該單元電路的對(duì)稱性，可采用奇偶模法分析CRLH 單元的傳輸零點(diǎn)[2]．其偶模、奇模阻抗分別為

式中 Z0為端口阻抗．當(dāng) S21＝0時(shí)，可由式(5)求出相應(yīng)的傳輸零點(diǎn)．

如圖 4所示，交叉耦合電容 Cg在低端會(huì)引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，當(dāng) Cg增加時(shí)，該傳輸零點(diǎn)會(huì)略向高端移動(dòng)．而在Cg取值得當(dāng)時(shí)，同時(shí)會(huì)在高端產(chǎn)生2個(gè)傳輸零點(diǎn)，形成高端阻帶．

圖4 CRLH單元的插損隨交叉耦合電容的變化趨勢(shì)Fig.4 Insertion loss of the CRLH unit cell with various Fig.4 cross-coupled capacitances

當(dāng)其他元件不變，CL、LL按一定比值增加時(shí)，3個(gè)傳輸零點(diǎn)會(huì)同時(shí)由高端向低端移動(dòng)．圖5為超寬帶濾波器在 Cg＝0.35 pF、LR＝1.254 nH、CR＝0.337 pF 的情況下，傳輸零點(diǎn)隨CL、LL的變化趨勢(shì)．

圖5 CL、LL按固定比值變化時(shí)CRLH單元傳輸零點(diǎn)的變化曲線Fig.5 Curves to relate the transmission-zeros to the value of Fig.5 CLand LLwith fixed ration of CL/LL

而當(dāng)CR、LR按固定比值增加時(shí)，高端的2個(gè)傳輸零點(diǎn)將由高端向低端移動(dòng)，二者相互靠近最后合為一點(diǎn)，高端阻帶變窄．與此同時(shí)，低端的傳輸零點(diǎn)基本保持不變．圖 6為超寬帶濾波器在 CL＝0.32,pF、LL＝1.728,nH 及 Cg為不同的值時(shí)，傳輸零點(diǎn)隨 CR、LR的變化趨勢(shì)．

由上可知，由于存在交叉耦合，適當(dāng)調(diào)整該CRLH單元的左、右手參數(shù)及交叉耦合電容，可以使CRLH單元形成3個(gè)可控的傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)具有良好選擇性的超寬帶濾波器．其中低端截止頻率主要由左手參數(shù) CL、LL控制，在確定低端截止頻率后，可通過(guò)調(diào)整其他參數(shù)改變高端截止頻率，使濾波器中心頻率及帶寬滿足設(shè)計(jì)要求．

圖6 CR、LR按固定比值變化時(shí)CRLH單元傳輸零點(diǎn)圖6 的變化曲線Fig.6 Curves to relate the transmission-zeros to the value of CRand LRwith fixed ration of CR/LR

1.2 超寬帶濾波器設(shè)計(jì)

新型超寬帶濾波器僅采用一個(gè) CRLH 單元，結(jié)構(gòu)如圖 1所示，由一段中間分割的共面波導(dǎo)、另一面與之正對(duì)的金屬板以及連接金屬板與地之間的短路支節(jié)線構(gòu)成．共面波導(dǎo)中間的導(dǎo)體板和與之正對(duì)的金屬板之間的面面耦合形成串聯(lián)電容 CL，可由電路基板材質(zhì)及正對(duì)面積決定；短路支節(jié)線形成并聯(lián)電感LL，主要決定于支節(jié)線阻抗及電長(zhǎng)度；單元的寄生效應(yīng)則等效為并聯(lián)電容 CR和串聯(lián)電感 LR，可由共面波導(dǎo)的特性阻抗及電長(zhǎng)度估算；而被分割的共面波導(dǎo)之間的交叉耦合電容為 Cg．因此由 CRLH 單元參數(shù)可估算濾波器的電路尺寸初值．

圖7 w5和w6對(duì)濾波器帶寬的影響Fig.7 Effect of w5and w6on band-width of BPF

超寬帶濾波器采用介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù) εr＝2.55，損耗正切 tan δ＝0.001 9，厚度 h＝0.8,mm．如圖7所示，當(dāng) w5由小變大，其通帶變寬，且中心頻率略往低端移動(dòng)；當(dāng) w6由小變大，濾波器帶寬明顯增加，同時(shí)低端傳輸零點(diǎn)略往高端移動(dòng)；w4由大變小時(shí)，濾波器帶寬基本不變，而選擇性有所改善，高端阻帶抑制水平則略有下降，如圖8所示．

圖8 w4對(duì)濾波器選擇性的影響Fig.8 Effect of w4on selectivity of BPF

2 濾波器制作與測(cè)量

通過(guò)Ansoft HFSS軟件優(yōu)化，濾波器尺寸最后選擇為 s1＝0.22,mm，s2＝0.87,mm，w1＝4.5,mm，w2＝3.2,mm，w3＝0.22,mm，w4＝4,mm，w5＝0.7 mm，w6＝4,mm，l1＝2.5,mm及l(fā)2＝15,mm．所制作的濾波器實(shí)物如圖9所示．濾波器的全波及集總等效電路模型仿真結(jié)果如圖10所示．其中集總等效電路的參數(shù)為：CL＝0.32,pF，LL＝1.728,nH，CR＝0.38,pF，LR＝1.254,nH，Cg＝0.337 pF．

圖9 超寬帶濾波器制作實(shí)物Fig.9 Photograph of the fabricated UWB BPF

圖10 超寬帶濾波器集總等效電路、全波仿真和測(cè)試結(jié)果Fig.10 Frequency responses of simulation in full-wave and Fig.10 equivalent circuit model and measurement of the Fig.10 fabricated UWB BPF

濾波器測(cè)試采用安捷倫 N5230矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試結(jié)果同時(shí)繪于圖 10．集總等效電路、全波仿真和測(cè)試結(jié)果吻合良好；濾波器具有良好的選擇性，其選擇特性大于±20,dB/GHz；在3.1～10.6 GHz的通帶范圍內(nèi)，測(cè)試插損小于 1.5,dB，略大于仿真結(jié)果，這主要是測(cè)試所用的 SMA轉(zhuǎn)接頭引入的損耗；反射損耗大于 17,dB，濾波器與端口匹配良好．在 11.95～16.00 GHz的阻帶范圍內(nèi)，傳輸抑制大于20 dB，具有較好的帶外抑制能力；而在加上濾波器兩端的傳輸線及 SMA轉(zhuǎn)接頭的延時(shí)，帶內(nèi)的群延時(shí)小于 0.85 ns，群延時(shí)變化小于0.36,ns，平坦的群延時(shí)確保超寬帶信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后失真較?。?/p>

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于CRLH結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器，在保證選擇性的前提下，由于僅采用一個(gè)CRLH單元，濾波器具有小尺寸(0.47,λ0×0.28,λ0)、低插損(小于1.5,dB)的特點(diǎn)．仿真和測(cè)試結(jié)果同時(shí)表明，該濾波器具有較好的帶外抑制能力．

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