李順利,曾文波

(廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西柳州545006)

基于左手材料十字交叉耦合型UWB濾波器的設(shè)計(jì)

李順利,曾文波*

(廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西柳州545006)

介紹了左手材料概念及其電磁特性，利用左右手傳輸線的基本理論，在厚度為0.8 mm的微帶介質(zhì)基板的正反兩面分別腐刻出不同形狀，組成相互耦合的十字交叉型結(jié)構(gòu).利用HFSS仿真軟件.設(shè)計(jì)一款介電常數(shù)為2.55的基于左手材料十字交叉耦合型超寬帶(UWB)濾波器，并研究了不同參數(shù)對(duì)濾波器性能的影響.通過(guò)對(duì)UWB濾波器參數(shù)的優(yōu)化，最終得到該濾波器的通帶范圍為3.1 GHz～10.6 GHz，通帶內(nèi)插入損耗小于0.49 dB，尺寸為7.2 mm×15.8 mm，實(shí)現(xiàn)了基于左手材料十字交叉耦合型UWB濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高增益、小型化的設(shè)計(jì).

左手材料;十字交叉耦合;超寬帶濾波器;插入損耗

0 引言

左手材料是由電磁波傳播過(guò)程中電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H以及波矢量K滿足左手定則而得名.左手材料是一種理論上不違反物理學(xué)定律，但在自然界中并不直接存在的一種超介質(zhì)材料，目前只能通過(guò)人工合成［1］.由于其介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為負(fù)值;因此，左手材料又被稱為雙負(fù)介質(zhì)或超材料.左手材料還具有負(fù)折射現(xiàn)象、完美透鏡、逆聚焦/發(fā)散現(xiàn)象、逆切倫科夫輻射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)，以及逆古斯-漢辛位移等奇異物理現(xiàn)象［2］.英國(guó)皇家學(xué)院Pendry等［3］提出了用周期性排列的細(xì)金屬棒陣列和金屬諧振環(huán)組成人造媒質(zhì)，分別產(chǎn)生等效負(fù)介電常數(shù)ε和負(fù)磁導(dǎo)率μ.文獻(xiàn)［4］使用一種變型的SRR結(jié)構(gòu)提出了一種新穎的貼片結(jié)構(gòu)，它體現(xiàn)出的左手特性并不是由組成部分的基礎(chǔ)物理特征所決定，而是由開(kāi)口諧振環(huán)特殊的圖形形狀和位置分布決定，并且研究了DSRR結(jié)構(gòu)的電容和電感對(duì)貼片器件性能的影響.文獻(xiàn)［5］利用超材料的概念，通過(guò)在貼片上蝕刻條形縫隙圖案，通過(guò)引入反射器和引向器的設(shè)計(jì)思想，增強(qiáng)了貼片器件的定向性［1］;因此，目前可以實(shí)現(xiàn)左手特性的方法可以分為兩大類(lèi):第一類(lèi)是基于Pendry模型對(duì)金屬棒和諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和衍生;第二類(lèi)則是利用左右手傳輸線(CRLH)結(jié)構(gòu)，以此可以產(chǎn)生低通、高通或帶通等各種濾波器的功能［6］.本文僅采用第二類(lèi)方法來(lái)構(gòu)造十字交叉耦合型濾波器.

1 基本原理

基于Pendry模型金屬棒和諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的左手材料，由于其工作帶寬較窄和插入損耗較高等缺點(diǎn)，限制了這種結(jié)構(gòu)在微波器件、濾波器等方面的應(yīng)用.利用交叉互補(bǔ)型十字裂縫結(jié)構(gòu)構(gòu)造左右手傳輸線，并從傳輸線理論角度構(gòu)造LC串并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右手特性.

自然界不存在理想的左右手傳輸線，但是等效均勻的左右手傳輸線可以通過(guò)梯形LC網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)［3］.由于左手傳輸線存在高通特性并呈現(xiàn)一個(gè)禁帶，右手傳輸線存在低高通特性并呈現(xiàn)一個(gè)禁帶;因此，通過(guò)左右手材料的完美匹配，可實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的功能.左右手傳輸線等效電路的基本單元模型，如圖1所示.

圖1所示的單元模型只是表示左右手傳輸線中ΔZ長(zhǎng)的一小段，真正的傳輸線是由N個(gè)類(lèi)似的單元構(gòu)成的.左右手傳輸線模型的中心頻率為:

圖1 左右手傳輸線等效電路單元模型圖Fig.1Circuit model of CRLH TL unit cell

單元模型電路的阻抗為:

相位差為:

2 十字交叉耦合型濾波器設(shè)計(jì)與仿真

基于左右手傳輸線理論，提出了一種基于左手材料的十字交叉耦合型濾波器結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)材料為相對(duì)介電常數(shù)εr=2.55，介質(zhì)損耗角正切tan δ=0.001 9，厚度為0.8 mm.它由共面波導(dǎo)區(qū)段的金屬板以及另一側(cè)的一對(duì)高阻抗彎曲線組成.共面波導(dǎo)的信號(hào)線由地面分割并與經(jīng)由一對(duì)高阻抗彎曲線連接到地面的金屬板平行［7］.其設(shè)計(jì)如圖(2)、圖(3)所示的十字交叉耦合型濾波器.

圖2 十字交叉耦合型濾波器正面及側(cè)面圖Fig.2The top and the side view of UWB cross-coupled filter

圖3 十字交叉耦合型濾波器背面圖Fig.3The bottom view of UWB cross-coupled filter

該十字交叉耦合型濾波器的尺寸為7.2 mm×15.8 mm，其他參數(shù)為W1=3 mm，W2=0.87 mm，H2=2 mm，d1=1mm，h1=2mm，h=0.8mm，H=3.5mm，h2=5.56mm，H3=0.66mm，d=0.22mm，W=0.16mm，H4=2.84 mm，h3=7.39 mm.

在十字交叉耦合型濾波器中由面對(duì)面的耦合提供了CRLH系列電容C，同時(shí)一對(duì)高阻抗彎曲線產(chǎn)生了CRLH系列的并聯(lián)電感L.根據(jù)求解中心頻率公式，使用HFSS微波仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行優(yōu)化.由公式可知，對(duì)濾波器性能產(chǎn)生主要影響的幾個(gè)參數(shù)是濾波器間距W1、濾波器寬度W、彎曲線的長(zhǎng)度h2以及縫隙缺口寬度h.

3 濾波器參數(shù)優(yōu)化與分析

利用HFSS10軟件進(jìn)行仿真，并利用插入損耗S21的值對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化.在其他參數(shù)保持不變的情況下，僅僅改變W1，W，h1和h2中的一個(gè)數(shù)值.依次令W1大小取值為2.1 mm，2.5 mm，3 mm，3.5 mm;W依次取值為0.16 mm，0.36 mm，0.70 mm;h2大小依次取值為4 mm，6 mm，7 mm;h大小依次取值為0.8 mm，1.0 mm，2.0 mm，2.5 mm，3.0 mm，使用HFSS仿真可得到插入損耗曲線S21，如圖4～圖7所示.

圖4 參數(shù)W1對(duì)S21的影響曲線圖Fig.4 The effect of W1on the S21

圖5 參數(shù)W對(duì)S21的影響曲線圖Fig.5 The effect of W on the S21

圖6 參數(shù)h2對(duì)S21的影響曲線圖Fig.6 The effect of h2on the S21

圖7 參數(shù)h對(duì)S21的影響曲線圖Fig.7 The eccect of h on the S21

從上圖可以看出，隨著W1，W和h2不斷變化，濾波器的通帶范圍不斷變化，但都會(huì)出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，根據(jù)超寬帶的定義，通帶最高頻率應(yīng)小于10.6 GHz;因此，選取W1=3.0 mm，W=0.16 mm，h2=6 mm，h1的變化影響是在通帶范圍一定時(shí)濾波器增益的大小.隨著h1的增加，濾波器的性能在逐漸增強(qiáng)，但當(dāng)縫隙缺口寬度大于2 mm時(shí)，插入損耗值卻隨著h1的增大逐漸減小;因此，選取h1=2 mm.參數(shù)能夠影響濾波器性能的原因是濾波器間距的改變影響了濾波器相互耦合的效率，從而影響電容;h2能夠影響濾波器性能的原因是濾波器彎曲寬度的改變影響了濾波器高阻抗值，從而影響電感.電容和電感的變化影響著濾波器帶寬的范圍，而縫隙切割技術(shù)可以改變?yōu)V波器的增益［8］.

對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，可以得到基于左手材料的十字交叉耦合UWB濾波器的回波損耗曲線S11、插入損耗曲線S21，如圖8所示.可見(jiàn)在3.10 GHz～10.6 GHz的超寬帶通帶范圍內(nèi)，該濾波器的插入損耗小于0.49 dB，回波損耗小于-10 dB，較好的滿足了UWB通信要求.

圖8 十字交叉耦合濾波器的S曲線圖Fig.8The S-curve of the cross-coupling

4 結(jié)論

基于復(fù)合左右手傳輸線理論，設(shè)計(jì)了一款基于左手材料的十字交叉耦合型超寬帶(UWB)濾波器，得到的該濾波器通帶較寬，通帶內(nèi)插入損耗和回波損耗都比較理想，使得濾波器增益接近于1，諧振點(diǎn)處回波損耗值達(dá)到-58.66 dB.利用左手材料的相位補(bǔ)償特性，突破了傳統(tǒng)濾波器的半波長(zhǎng)限制，得到的濾波器大小為7.2 mm×15.8 mm×0.8 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小，較好的滿足了超寬帶無(wú)線通信要求.UWB濾波器作為一款新型的微波器件，應(yīng)用在無(wú)線通信射頻前端，并結(jié)合左手材料的理論，使其具有極寬的通帶帶寬，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景.

［1］黃麗玉.復(fù)合左右手傳輸線設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2014.

［2］崔萬(wàn)照，胡天存，張娜，等.復(fù)合左/右手傳輸線理論及其應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

［3］曾文波，趙嘉.左手材料及在微帶天線中的應(yīng)用［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，20(3):30-35.

［4］鄭祥來(lái).左手材料天線的研究與設(shè)計(jì)［D］.北京:北京理工大學(xué)，2015.

［5］郭蓉，曹祥玉，袁子?xùn)|，等.一種新型寬帶定向性貼片天線設(shè)計(jì)［J］.物理學(xué)報(bào)，2014，63(24):244102(共6頁(yè)).

［6］易強(qiáng).左手材料的設(shè)計(jì)及其在超寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.江西:江西師范大學(xué)，2014.

［7］HUANG J Q，CHU Q X.Compact Uwb Band-pass Filter Utilizing Mod-ified Composite Right/Left-handed Structure with Cross Coupling［J］.Progress In Electromagnetics Research，2010，107(8):179-186.

［8］曾文波，趙嘉.PBG結(jié)構(gòu)方形切角微帶天線的設(shè)計(jì)［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，37(4):57-59.

Design of UWB cross-coupled filter based on LHM

LI Shun-li，ZENG Wen-bo*
(School of Electrical and Information Engineering，Guangxi University of Science and Technology，LiuZhou 545006，China)

A new type of ultra-wideband(UWB)filter has been designed in this paper.Based on the concept of left-handed material(LHM)，the filter has negative permittivity and permeability.The substrate is with a thickness of 0.8 mm and a relative dielectric constant of 2.55.By etching a cross-coupled structure on the surface of the substrate，a frequency pass-band from 3.1-10.6 GHz，which meets the requirement of UWB applications，is achieved.Thus，an UWB filte with high selectivity is developed using only one unit cell，which leads to low insertion loss(less than 0.49 dB)and compact size(7.2 mm×15.8 mm).By HFSS software simulation and testing several different parameters influence on filter performance，resulting filter has superior impedance characteristics.The design of a cross-coupled LHM UWB filter with simple structure，high gain，and miniaturization was achieved.

LHM;Cross-Coupled;UWB Filter;insertion loss

TN82

A

2095-7335(2016)02-0052-04

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.009

(學(xué)科編輯:李捷)

2015-12-17

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015GXNSFAA139289)資助.

*通信作者:曾文波，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向:平面天線，E-mail:abc90175@163.com.