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新型宽阻带共面带状线低通滤波器设计解析
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2017-11-09
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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，
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，
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