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寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2014-12-31 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】本文提出了新型的寬阻帶共面帶狀線低通濾波器,詳細(xì)介紹了共面帶狀線的原理及應(yīng)用。在整流天線中,低通濾波器能夠有效地阻止二次、三次諧波,能夠提高整流天線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。而且在整流天線中,寬阻帶低損耗的低通濾波器更具實(shí)際意義。

共面帶狀線(CPS)是在二十世紀(jì)七十年代提出的一種同平面的傳輸線方式,由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí),CPS對(duì)介質(zhì)厚度不敏感、由不連續(xù)結(jié)構(gòu)引起寄生效應(yīng)小, 高頻電磁波傳播時(shí)損耗較低等,因此,被廣泛應(yīng)用于饋電網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)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(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。因此,在整流天線系統(tǒng)中,具有寬阻帶、 低損耗的低通濾波器更具實(shí)際意義。用于整流天線系統(tǒng)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(jù)CPS不連續(xù)結(jié)構(gòu)特性的分析,半波長的T型開路枝節(jié)和開口環(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(xiàn)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(nèi)外添加T枝節(jié)和T型槽諧振可以很好的抑制高次諧波,實(shí)現(xiàn)低通濾波器寬阻帶的設(shè)計(jì)。

本文提出了一種新型的開環(huán)CPS諧振器,分析了其集總元件等效電路圖?;陂_環(huán)結(jié)構(gòu)諧振器,設(shè)計(jì)了三階CPS低通濾波器,具有尺寸小,通帶內(nèi)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(yīng)用到射頻前端和整流天線系統(tǒng)中。

共面帶狀線(CPS)結(jié)構(gòu)

CPS結(jié)構(gòu)具有有限大小的介質(zhì)板,如圖1所示。根據(jù)CPS傳輸線理論,當(dāng)縫隙S不斷增大時(shí),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(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著較小的傳輸損耗。為了得到更高的二極管轉(zhuǎn)換效率,需要CPS具有低損耗、高特性阻抗的特性。

寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖1 共面帶狀線結(jié)構(gòu)
 
本文所設(shè)計(jì)的CPS結(jié)構(gòu)低通濾波器所用介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)為2.55,厚度為0.8mm,覆銅厚度為0.035mm。根據(jù)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(shí),CPS的特性阻抗Z0為172ohm。
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CPS低通濾波器的設(shè)計(jì)

1 CPS開環(huán)諧振器

本文提出的開環(huán)CPS諧振器,其結(jié)構(gòu)與等效電路如圖2所示,由長度為λg/2的諧振開路環(huán)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不連續(xù)性結(jié)構(gòu)特性分析,周長為λg/2開路環(huán)等效 為電感Lp,開路環(huán)和傳輸線間的間距g1等效為耦合電容cp1,對(duì)稱開路環(huán)間距g2等效為耦合電容cp2。那么,圖2所示的開路環(huán)結(jié)構(gòu)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)在傳輸線之間,產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)阻帶特性。

在圖2中,開路環(huán)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(nèi)S21最小為-0.068dB,頻率9.4GHz時(shí)S21達(dá)到-31.8dB。根據(jù)IE3D仿真曲線圖3(b)分析,當(dāng)縫隙S、g1、g2增大時(shí),通 帶內(nèi)的插損逐漸減小,諧振頻率往高頻偏移。主要是因?yàn)榄h(huán)與傳輸線、對(duì)稱環(huán)之間的耦合電容減小,諧振頻率變大,諧振Q值增大。

寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖2 CPS開環(huán)諧振器
寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖3(a) CPS開環(huán)結(jié)構(gòu)的頻響特性
寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖3(b) CPS開環(huán)結(jié)構(gòu)頻響隨g2的變化趨勢(shì)
 
2 具有T枝節(jié)的CPS開環(huán)諧振器

為了增強(qiáng)阻帶的深度和寬度,在以上開環(huán)諧振器上加一對(duì)半波長T型諧振器,其結(jié)構(gòu)與等效電路如圖4所示。半波長T枝節(jié)等效為電感L’p,T枝節(jié)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(jié)構(gòu)和開路環(huán)等效為兩個(gè)串聯(lián)的LC諧振電路,通過產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)達(dá)到增加二次諧波衰減的目的。其中T枝 節(jié)的長度為6.6mm,開口環(huán)的長度為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。

寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖4 具有T枝節(jié)的開環(huán)諧振結(jié)構(gòu)
寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖5 T枝節(jié)的開環(huán)諧振結(jié)構(gòu)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(lián)的LC電路,通過產(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。
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3 三階CPS低通濾波器設(shè)計(jì)

利用上述的開環(huán)結(jié)構(gòu)(圖2)和復(fù)合結(jié)構(gòu)(圖4)設(shè)計(jì)了一個(gè)三階CPS低通濾波器,其結(jié)構(gòu)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。

寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖6 三階CPS低通濾波器
 
通過IE3D軟件仿真得到,具有T枝節(jié)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。

寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
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(jié)構(gòu)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(shù)列于表1。

寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖8 改進(jìn)型三階CPS低通濾波器
寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
圖9 改進(jìn)型三階CPS低通濾波器
寬阻帶共面帶狀紙低通濾波器的設(shè)計(jì)
表1 改進(jìn)型三階CPS低通濾波器的頻響特性

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