一種新型的寬阻帶共面帶狀線(xiàn)低通濾波器

　　1 引言

　　共面帶狀線(xiàn)(CPS)是在二十世紀七十年代提出的一種同平面的傳輸線(xiàn)方式，由于結構簡(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對介質(zhì)厚度不敏感、由不連續結構引起寄生效應小, 高頻電磁波傳播時(shí)損耗較低等，因此，被廣泛應用于饋電網(wǎng)絡(luò )和微波電路，如印刷偶極子天線(xiàn)、濾波器、耦合器、諧振器和放大器等。

　　在整流天線(xiàn)系統中，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(xiàn)系統的轉換效率。因此，在整流天線(xiàn)系統中，具有寬阻帶、低損耗的低通濾波器更具實(shí)際意義。文獻用于整流天線(xiàn)系統中的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CPS不連續結構特性的分析，半波長(cháng)的T型開(kāi)路枝節和開(kāi)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)現阻帶特性。為了減小濾波器的體積，在微帶線(xiàn)上開(kāi)槽亦具有阻帶特性。因此，通過(guò)在傳輸線(xiàn)內外添加T枝節和T型槽諧振可以很好的抑制高次諧波，實(shí)現低通濾波器寬阻帶的設計。

　　本文提出了一種新型的開(kāi)環(huán)CPS諧振器，分析了其集總元件等效電路圖?；陂_(kāi)環(huán)結構諧振器，設計了三階CPS低通濾波器，具有尺寸小，通帶內損耗小，阻帶帶寬寬的特點(diǎn)，有效地抑制了二、三次諧波，可以應用到射頻前端和整流天線(xiàn)系統中。

　　2 共面帶狀線(xiàn)(CPS)結構

　　CPS結構具有有限大小的介質(zhì)板，如圖1所示。根據CPS傳輸線(xiàn)理論，當縫隙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(huà)說(shuō)，高特性阻抗的CPS結構對應著(zhù)較小的傳輸損耗[3]。為了得到更高的二極管轉換效率，需要CPS具有低損耗、高特性阻抗的特性。

　　圖1 共面帶狀線(xiàn)結構

　　本文所設計的CPS結構低通濾波器所用介質(zhì)板的相對介電常數為2.55，厚度為0.8mm，覆銅厚度為0.035mm。根據全波仿真軟件IE3D分析，平行傳輸線(xiàn)的線(xiàn)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。

　　3 CPS低通濾波器的設計

　　3.1 CPS開(kāi)環(huán)諧振器

　　本文提出的開(kāi)環(huán)CPS諧振器，其結構與等效電路如圖2所示，由長(cháng)度為λg/2的諧振開(kāi)路環(huán)實(shí)現。根據不連續性結構特性分析，周長(cháng)為λg/2開(kāi)路環(huán)等效為電感Lp，開(kāi)路環(huán)和傳輸線(xiàn)間的間距g1等效為耦合電容cp1，對稱(chēng)開(kāi)路環(huán)間距g2等效為耦合電容cp2。那么，圖2所示的開(kāi)路環(huán)結構可以等效為串聯(lián)的LC電路。等效的串聯(lián)諧振電路并聯(lián)在傳輸線(xiàn)之間，產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，實(shí)現阻帶特性。

　　在圖2中，開(kāi)路環(huán)的長(cháng)度為7.4mm，線(xiàn)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S21最小為-0.068dB，頻率9.4GHz時(shí)S21達到-31.8dB。根據IE3D仿真曲線(xiàn)圖3(b)分析，當縫隙S、g1、g2增大時(shí)，通帶內的插損逐漸減小，諧振頻率往高頻偏移。主要是因為環(huán)與傳輸線(xiàn)、對稱(chēng)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(kāi)環(huán)諧振器

　　圖3(a) CPS開(kāi)環(huán)結構的頻響特性

　　圖3(b) CPS開(kāi)環(huán)結構頻響隨g2的變化趨勢