基于开环CPS谐振器实现三阶CPS低通滤波器的设计

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来源:2009年全国微波毫米波会议论文集,作者:高艳艳,杨雪霞,周建永

1 引言

共面带状线(CPS)是在二十世纪七十年代提出的一种同平面的传输线方式,由于结构简单,易于与有源和无源二端口器件跨接,避免了穿孔带来的工艺麻烦。同时,CPS对介质厚度不敏感、由不连续结构引起寄生效应小, 高频电磁波传播时损耗较低等,因此,被广泛应用于馈电网络和微波电路,如印刷偶极子天线、滤波器、耦合器、谐振器和放大器等。

在整流天线系统中,低通滤波器要求允许基波通过,能够有效阻止二次、三次谐波,以提高整流天线系统的转换效率。因此,在整流天线系统中,具有宽阻带、低损耗的低通滤波器更具实际意义。文献用于整流天线系统中的CPS带通滤波器和带阻滤波器,工作频率处插损仿真为-0.3dB,衰减小于-10dB的阻带带宽大约为6GHz,有效抑制了二次谐波,但是三次谐波抑制性能大于-5dB,而且尺寸较大。

根据CPS不连续结构特性的分析,半波长的T型开路枝节和开口环谐振电路,等效为串联的LC电路,产生传输零点,实现阻带特性。为了减小滤波器的体积,在微带线上开槽亦具有阻带特性。因此,通过在传输线内外添加T枝节和T型槽谐振可以很好的抑制高次谐波,实现低通滤波器宽阻带的设计。

本文提出了一种新型的开环CPS谐振器,分析了其集总元件等效电路图。基于开环结构谐振器,设计了三阶CPS低通滤波器,具有尺寸小,通带内损耗小,阻带带宽宽的特点,有效地抑制了二、三次谐波,可以应用到射频前端和整流天线系统中。

2 共面带状线(CPS)结构

CPS结构具有有限大小的介质板,如图1所示。根据CPS传输线理论,当缝隙S不断增大时,CPS的总损耗越来越小,而其特性阻抗变的越来越大。换句话说,高特性阻抗的CPS结构对应着较小的传输损耗[3]。为了得到更高的二极管转换效率,需要CPS具有低损耗、高特性阻抗的特性。

图1 共面带状线结构

本文所设计的CPS结构低通滤波器所用介质板的相对介电常数为2.55,厚度为0.8mm,覆铜厚度为0.035mm。根据全波仿真软件IE3D分析,平行传输线的线宽W和间距S分别为0.6mm和0.4mm时,CPS的特性阻抗Z0为172ohm。

3 CPS低通滤波器的设计

3.1 CPS开环谐振器

本文提出的开环CPS谐振器,其结构与等效电路如图2所示,由长度为λg/2的谐振开路环实现。根据不连续性结构特性分析,周长为λg/2开路环等效为电感Lp,开路环和传输线间的间距g1等效为耦合电容cp1,对称开路环间距g2等效为耦合电容cp2。那么,图2所示的开路环结构可以等效为串联的LC电路。等效的串联谐振电路并联在传输线之间,产生一个传输零点,实现阻带特性。

在图2中,开路环的长度为7.4mm,线宽为0.4mm,缝隙间距g1、g2均为0.4mm,谐振频率为9.4GHz,频率特性如图3(a)所示。通带内S21最小为-0.068dB,频率9.4GHz时S21达到-31.8dB。根据IE3D仿真曲线图3(b)分析,当缝隙S、g1、g2增大时,通带内的插损逐渐减小,谐振频率往高频偏移。主要是因为环与传输线、对称环之间的耦合电容减小,谐振频率变大,谐振Q值增大。

图2 CPS开环谐振器

图3(a) CPS开环结构的频响特性

图3(b) CPS开环结构频响随g2的变化趋势

3.2 具有T枝节的CPS开环谐振器

为了增强阻带的深度和宽度,在以上开环谐振器上加一对半波长T型谐振器,其结构与等效电路如图4所示。半波长T枝节等效为电感L’p,T枝节与传输线之间缝隙g3等效为耦合电容C’p。那么T型开路结构和开路环等效为两个串联的LC谐振电路,通过产生两个传输零点达到增加二次谐波衰减的目的。其中T枝节的长度为6.6mm,开口环的长度为7mm。频率特性如图5所示,在9.8GHz和13.6GHz处产生两个谐振点,S21分别为-24.5dB和-37dB,展宽了阻带。

图4 具有T枝节的开环谐振结构

图5 T枝节的开环谐振结构的频响特性

由于抑制二、三次谐波的带宽较宽,在CPS平行传输线上开槽,亦可等效为串联的LC电路,通过产生一个传输零点,在不增大体积的前提下,进一步抑制三次谐波。

3.3 三阶CPS低通滤波器设计

利用上述的开环结构(图2)和复合结构(图4)设计了一个三阶CPS低通滤波器,其结构和等效电路如图6所示。W和S的尺寸即为上述CPS尺寸,L1=5.6mm,L2=3.7mm,L3=3.5mm。

图6 三阶CPS低通滤波器

通过IE3D软件仿真得到,具有T枝节的三阶CPS低通滤波器的S11、S21频响曲线如图7所示。在5.8GHz、11.6GHz和17.4GHz处,S21分别为-0.095dB、-25.1dB和-13dB,很好的阻止了二次谐波。

图7 三阶CPS低通滤波器频率特性

为了更好地抑制三次谐波,在W线宽上面开T型槽,其结构与等效电路图如图8所示。其中L4=4.3mm,槽宽为0.4mm。仿真曲线如图9所示,很好地抑制了三次谐波。在基频、二次、三次谐波的S参数列于表1。

图8 改进型三阶CPS低通滤波器

图9 改进型三阶CPS低通滤波器

表1 改进型三阶CPS低通滤波器的频响特性

耦合器

5 结论

本文基于CPS基本电路理论,设计了一个工作在5.8GHz频率的三阶CPS低通滤波器,其尺寸为25mm *7.6mm, 通带内的插损最小为-0.08dB, 3dB截止频率为7.7GHz,衰减小于-15dB的绝对带宽为10.3GHz,有效地抑制了二、三次谐波。

责任编辑:gt

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