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新型寬阻帶共面帶狀線低通濾波器

2014-12-25 來源:互聯網 字號:

引言

共面帶狀線(CPS)是在二十世紀七十年代提出的一種同平面的傳輸線方式,由于結構簡單,易于與有源和無源二端口器件跨接,避免了穿孔帶來的工藝麻煩。同時,CPS對介質厚度不敏感、由不連續結構引起寄生效應小, 高頻電磁波傳播時損耗較低等,因此,被廣泛應用于饋電網絡和微波電路,如印刷偶極子天線、濾波器、耦合器、諧振器和放大器等。

在整流天線系統中,低通濾波器要求允許基波通過,能夠有效阻止二次、三次諧波,以提高整流天線系統的轉換效率。因此,在整流天線系統中,具有寬阻帶、低損耗的低通濾波器更具實際意義。用于整流天線系統中的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,半波長的T型開路枝節和開口環諧振電路,等效為串聯的LC電路,產生傳輸零點,實現阻帶特性。為了減小濾波器的體積,在微帶線上開槽亦具有阻帶特性。因此,通過在傳輸線內外添加T枝節和T型槽諧振可以很好的抑制高次諧波,實現低通濾波器寬阻帶的設計。

本文提出了一種新型的開環CPS諧振器,分析了其集總元件等效電路圖。基于開環結構諧振器,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,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系統中。

共面帶狀線(CPS)結構

CPS結構具有有限大小的介質板,如圖1所示。根據CPS傳輸線理論,當縫隙S不斷增大時,CPS的總損耗越來越小,而其特性阻抗變的越來越大。換句話說,高特性阻抗的CPS結構對應著較小的傳輸損耗。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。

共面帶狀線結構

圖1 共面帶狀線結構

本文所設計的CPS結構低通濾波器所用介質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,平行傳輸線的線寬W和間距S分別為0.6mm和0.4mm時,CPS的特性阻抗Z0為172ohm。

CPS低通濾波器的設計

1、CPS開環諧振器

本文提出的開環CPS諧振器,其結構與等效電路如圖2所示,由長度為λg/2的諧振開路環實現。根據不連續性結構特性分析,周長為λg/2開路環等效為電感Lp,開路環和傳輸線間的間距g1等效為耦合電容cp1,對稱開路環間距g2等效為耦合電容cp2。那么,圖2所示的開路環結構可以等效為串聯的LC電路。等效的串聯諧振電路并聯在傳輸線之間,產生一個傳輸零點,實現阻帶特性。

在圖2中,開路環的長度為7.4mm,線寬為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S21達到-31.8dB。根據IE3D仿真曲線圖3(b)分析,當縫隙S、g1、g2增大時,通帶內的插損逐漸減小,諧振頻率往高頻偏移。主要是因為環與傳輸線、對稱環之間的耦合電容減小,諧振頻率變大,諧振Q值增大。

CPS開環諧振器

圖2 CPS開環諧振器

CPS開環結構的頻響特性

圖3(a) CPS開環結構的頻響特性

CPS開環結構頻響隨g2的變化趨勢

圖3(b) CPS開環結構頻響隨g2的變化趨勢

2、具有T枝節的CPS開環諧振器

為了增強阻帶的深度和寬度,在以上開環諧振器上加一對半波長T型諧振器,其結構與等效電路如圖4所示。半波長T枝節等效為電感L’p,T枝節與傳輸線之間縫隙g3等效為耦合電容C’p。那么T型開路結構和開路環等效為兩個串聯的LC諧振電路,通過產生兩個傳輸零點達到增加二次諧波衰減的目的。其中T枝節的長度為6.6mm,開口環的長度為7mm。頻率特性如圖5所示,在9.8GHz和13.6GHz處產生兩個諧振點,S21分別為-24.5dB和-37dB,展寬了阻帶。

具有T枝節的開環諧振結構

圖4 具有T枝節的開環諧振結構

T枝節的開環諧振結構的頻響特性

圖5 T枝節的開環諧振結構的頻響特性

由于抑制二、三次諧波的帶寬較寬,在CPS平行傳輸線上開槽,亦可等效為串聯的LC電路,通過產生一個傳輸零點,在不增大體積的前提下,進一步抑制三次諧波。

3、三階CPS低通濾波器設計

利用上述的開環結構(圖2)和復合結構(圖4)設計了一個三階CPS低通濾波器,其結構和等效電路如圖6所示。W和S的尺寸即為上述CPS尺寸,L1=5.6mm,L2=3.7mm,L3=3.5mm

三階CPS低通濾波器

圖6 三階CPS低通濾波器

通過IE3D軟件仿真得到,具有T枝節的三階CPS低通濾波器的S11、S21頻響曲線如圖7所示。在5.8GHz、11.6GHz和17.4GHz處,S21分別為-0.095dB、-25.1dB和-13dB,很好的阻止了二次諧波。

三階CPS低通濾波器頻率特性

圖7 三階CPS低通濾波器頻率特性

為了更好地抑制三次諧波,在W線寬上面開T型槽,其結構與等效電路圖如圖8所示。其中L4=4.3mm,槽寬為0.4mm。仿真曲線如圖9所示,很好地抑制了三次諧波。在基頻、二次、三次諧波的S參數列于表1。

改進型三階CPS低通濾波器1

圖8 改進型三階CPS低通濾波器

改進型三階CPS低通濾波器

圖9 改進型三階CPS低通濾波器

改進型三階CPS低通濾波器的頻響特性

表1 改進型三階CPS低通濾波器的頻響特性

結論

本文基于CPS基本電路理論,設計了一個工作在5.8GHz頻率的三階CPS低通濾波器,其尺寸為25mm *7.6mm, 通帶內的插損最小為-0.08dB, 3dB截止頻率為7.7GHz,衰減小于-15dB的絕對帶寬為10.3GHz,有效地抑制了二、三次諧波。

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