基于crlh結(jié)構(gòu)的小型超寬帶帶通濾波器

超寬帶無線技術(shù)具有高數(shù)據(jù)分辨率、低發(fā)射功率和簡單的碼率差異控制的優(yōu)勢。廣泛應(yīng)用于近距離高速無線通信。作為制作超寬帶電路和系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，需要在3.1.06ghz通帶的內(nèi)部干擾小，群體延遲平坦，高低頻頻率的選擇性和區(qū)域外抑制能力好。近年來,各種類型的超寬帶(ultrawideband,UWB)帶通濾波器(band-passfilter,BPF)得以提出.高通濾波器與低通濾波器級聯(lián)實現(xiàn)的超寬帶濾波器具有很好的帶外抑制能力,但往往尺寸較大;文獻提出了一種準集總元件實現(xiàn)的超寬帶帶通濾波器,帶內(nèi)插損及占用電路面積較小,同時具有較寬的高端阻帶;采用各種多模諧振器設(shè)計超寬帶帶通濾波器為近期的研究熱點,這類濾波器具有較長的傳輸線結(jié)構(gòu),帶內(nèi)會產(chǎn)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(jié)構(gòu)、帶缺陷地的平行耦合結(jié)構(gòu)等.與傳統(tǒng)右手傳輸線相比,采用復合左右手(compositeleft/right-handed,CRLH)結(jié)構(gòu)來設(shè)計帶通濾波器,能大大減小器件尺寸,增加帶寬.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(nèi)插損.在文獻中,采用2個CRLH單元設(shè)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(nèi)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(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,適當調(diào)整交叉耦合電容及左右手參數(shù),將產(chǎn)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(jié)構(gòu)緊湊,尺寸為0.47λ0×0.28λ0(λ0為濾波器中心頻率6.85,GHz的導波長);3.1~10.6,GHz的帶內(nèi)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(nèi)群延時.1濾波設(shè)計1.1crlh單元傳輸絕對帶單元的特征分析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.根據(jù)Bloch理論,由該單元周期性構(gòu)成的CRLH傳輸線(transmissionline,TL)的傳播特性可以表示為式中: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(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,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.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.其偶模、奇模阻抗分別為從而CRLH單元的傳輸函數(shù)S21為式中Z0為端口阻抗.當S21=0時,可由式(5)求出相應(yīng)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(chǎn)生2個傳輸零點,形成高端阻帶.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=0.35pF、LR=1.254nH、CR=0.337pF的情況下,傳輸零點隨CL、LL的變化趨勢.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(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(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)計要求.1.2濾波器的電路尺寸初始新型超寬帶濾波器僅采用一個CRLH單元,結(jié)構(gòu)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(gòu)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(zhì)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(yīng)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.超寬帶濾波器采用介質(zhì)基板相對介電常數(shù)εr=2.55,損耗正切tanδ=0.0019,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.2濾波器的仿真測試通過AnsoftHFSS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=0.7mm,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(jié)果如圖10所示.其中集總等效電路的參數(shù)為:CL=濾波器測試采用安捷倫N5230矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,測試結(jié)果同時繪于圖10.集總等效電路、全波仿真和測試結(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3.1~10.6GHz的通帶范圍內(nèi),測試插損小于1.5,dB,略大于仿真結(jié)果,這主要是測試所用的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11.95~16.00GHz的阻帶范圍內(nèi),傳輸抑制大于20dB,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,帶內(nèi)的群延時小于0.85ns,群延時變化小于0.36,ns,平坦的群延時確保超寬帶信號經(jīng)過濾