基于CRLH結構的小型超寬帶濾波器

褚慶昕，黃健全，劉傳運

(華南理工大學電子與信息學院，廣州 510640)

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

近年來，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聯(lián)實現(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[2]提出了一種準集總元件實現(xiàn)的超寬帶帶通濾波器，帶內插損及占用電路面積較小，同時具有較寬的高端阻帶；采用各種多模諧振器設計超寬帶帶通濾波器為近期的研究熱點[3-7]，這類濾波器具有較長的傳輸線結構，帶內會產生多個傳輸極點，插損較小，但其高端阻帶較窄；還有其他方式可以實現(xiàn)超寬帶帶通濾波器，如多層寬耦合結構[8]、帶缺陷地的平行耦合結構[9]等．

與傳統(tǒng)右手傳輸線相比，采用復合左右手(composite left/right-handed，CRLH)結構來設計帶通濾波器，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 CRLH單元級聯(lián)，這樣會增加濾波器的帶內插損．在文獻[11]中，采用 2個 CRLH單元設計了一系列超寬帶帶通濾波器，測試相對帶寬達到了72%，帶內測試插損約為2.6,dB．

本文提出的超寬帶濾波器僅采用一個 CRLH結構單元，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．單元內存在交叉耦合，適當調整交叉耦合電容及左右手參數(shù)，將產生3個可控傳輸零點，實現(xiàn)具有良好選擇性的超寬帶帶通濾波器．實際制作的濾波器結構緊湊，尺寸為0.47λ0×0.28 λ0(λ0為濾波器中心頻率6.85,GHz 的導波長)；3.1～10.6,GHz的帶內測試插損小于 1.5,dB；同時具有較寬的高端阻帶及平坦的帶內群延時．

1 濾波器設計

1.1 CRLH單元特性

本文提出的超寬帶濾波器電路結構如圖 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構成，單元的寄生效應則等效為并聯(lián)電容CR和串聯(lián)電感 LR，與傳統(tǒng)的 CRLH 結構不同的是，在單元內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構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單元長度；A為CRLH單元對應的傳輸函數(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，交叉耦合電容的引入對于 CRLH單元的左手通帶基本沒有影響，但會明顯增加其右手通帶的相移．同時，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

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

式中 Z0為端口阻抗．當 S21＝0時，可由式(5)求出相應的傳輸零點．

如圖 4所示，交叉耦合電容 Cg在低端會引入一個傳輸零點，當 Cg增加時，該傳輸零點會略向高端移動．而在Cg取值得當時，同時會在高端產生2個傳輸零點，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Fig.4 Insertion loss of the CRLH unit cell with various Fig.4 cross-coupled capacitances

當其他元件不變，CL、LL按一定比值增加時，3個傳輸零點會同時由高端向低端移動．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，傳輸零點隨CL、LL的變化趨勢．

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

而當CR、LR按固定比值增加時，高端的2個傳輸零點將由高端向低端移動，二者相互靠近最后合為一點，高端阻帶變窄．與此同時，低端的傳輸零點基本保持不變．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，傳輸零點隨 CR、LR的變化趨勢．

由上可知，由于存在交叉耦合，適當調整該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個可控的傳輸零點，實現(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，可通過調整其他參數(shù)改變高端截止頻率，使濾波器中心頻率及帶寬滿足設計要求．

圖6 CR、LR按固定比值變化時CRLH單元傳輸零點圖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 超寬帶濾波器設計

新型超寬帶濾波器僅采用一個 CRLH 單元，結構如圖 1所示，由一段中間分割的共面波導、另一面與之正對的金屬板以及連接金屬板與地之間的短路支節(jié)線構成．共面波導中間的導體板和與之正對的金屬板之間的面面耦合形成串聯(lián)電容 CL，可由電路基板材質及正對面積決定；短路支節(jié)線形成并聯(lián)電感LL，主要決定于支節(jié)線阻抗及電長度；單元的寄生效應則等效為并聯(lián)電容 CR和串聯(lián)電感 LR，可由共面波導的特性阻抗及電長度估算；而被分割的共面波導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基板相對介電常數(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 w5由小變大，其通帶變寬，且中心頻率略往低端移動；當 w6由小變大，濾波器帶寬明顯增加，同時低端傳輸零點略往高端移動；w4由大變小時，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 濾波器制作與測量

通過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．所制作的濾波器實物如圖9所示．濾波器的全波及集總等效電路模型仿真結果如圖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、全波仿真和測試結果Fig.10 Frequency responses of simulation in full-wave and Fig.10 equivalent circuit model and measurement of the Fig.10 fabricated UWB BPF

濾波器測試采用安捷倫 N5230矢量網絡分析儀，測試結果同時繪于圖 10．集總等效電路、全波仿真和測試結果吻合良好；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，測試插損小于 1.5,dB，略大于仿真結果，這主要是測試所用的 SMA轉接頭引入的損耗；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，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轉接頭的延時，帶內的群延時小于 0.85 ns，群延時變化小于0.36,ns，平坦的群延時確保超寬帶信號經過濾波器后失真較?。?/p>

3 結 語

本文提出了一種基于CRLH結構的超寬帶濾波器，在保證選擇性的前提下，由于僅采用一個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．仿真和測試結果同時表明，該濾波器具有較好的帶外抑制能力．

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