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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 3.2 具有T枝節的CPS開(kāi)環(huán)諧振器 為了增強阻帶的深度和寬度，在以上開(kāi)環(huán)諧振器上加一對半波長(cháng)T型諧振器，其結構與等效電路如圖4所示。半波長(cháng)T枝節等效為電感L’p，T枝節與傳輸線(xiàn)之間縫隙g3等效為耦合電容C’p。那么T型開(kāi)路結構和開(kāi)路環(huán)等效為兩個(gè)串聯(lián)的LC諧振電路，通過(guò)產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)達到增加二次諧波衰減的目的。其中T枝節的長(cháng)度為6.6mm，開(kāi)口環(huán)的長(cháng)度為7mm。頻率特性如圖5所示，在9.8GHz和13.6GHz處產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)，S21分別為-24.5dB和-37dB，展寬了阻帶。 圖4 具有T枝節的開(kāi)環(huán)諧振結構 圖5 T枝節的開(kāi)環(huán)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(xiàn)上開(kāi)槽，亦可等效為串聯(lián)的LC電路，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，在不增大體積的前提下，進(jìn)一步抑制三次諧波。 3.3 三階CPS低通濾波器設計 利用上述的開(kāi)環(huán)結構(圖2)和復合結構(圖4)設計了一個(gè)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。 圖6 三階CPS低通濾波器 通過(guò)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(xiàn)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。 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(xiàn)寬上面開(kāi)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(xiàn)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。 圖8 改進(jìn)型三階CPS低通濾波器 圖9 改進(jìn)型三階CPS低通濾波器 表1 改進(jìn)型三階CPS低通濾波器的頻響特性 5 結論 本文基于CPS基本電路理論，設計了一個(gè)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。 |
