通信系統(tǒng)中經(jīng)常采用帶通濾波器來抑制寄生信號,。隨著微波毫米波技術(shù)的快速發(fā)展，通信系統(tǒng)對微波濾波器提出了更高的性能要求,，例如小型化,、低插入損耗、高阻帶衰減,。而復(fù)合左右手傳輸線,，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于濾波器領(lǐng)域。作為一般微波器件,，基于其零階諧振特性,，其尺寸可以突破二分之一工作波長的限制。近來,，這種傳輸線已經(jīng)被用來實現(xiàn)超寬帶濾波器的小型化[6],。其電路形式除交指電容和短截線電感之外，還有平面蘑菇形式[7],、過孔蘑菇形式[8]以及互補諧振環(huán)與開縫微帶線組合的形式[9]等,。其中大多數(shù)是以模仿左手傳輸線等效電路中的串聯(lián)電容和并聯(lián)電感的形式而實現(xiàn)的。本文基于左手傳輸線等效電路,，提出了一種新型的基于復(fù)合左右手傳輸線理論的諧振器,，并且利用兩個這樣的諧振單元，構(gòu)造了一種工作于9.2GHz~9.5GHz的帶通濾波器,，可應(yīng)用于搜救雷達頻段,。與傳統(tǒng)的耦合微帶線形式的帶通濾波器相比，在兼顧性能的前提下,，其實際占用尺寸縮小了80%,。并且通過將基于有限元的HFSS全波仿真結(jié)果與基于矩量法的ADS仿真結(jié)果和實際測量結(jié)果對比，分析了該小型化濾波器的性能。
1 耦合微帶線濾波器設(shè)計
作為復(fù)合左右手傳輸線對微波濾波器的小型化對比,，以用于搜救雷達的帶通濾波器為例,。該帶通濾波器采用耦合微帶線形式，通帶范圍是9.2GHz~9.5GHz,，中心頻率9.35GHz,，相對帶寬0.03，與50Ω阻抗匹配,。介質(zhì)基板為F4B,，相對介電常數(shù)2.65，厚度1mm,，損耗正切0.0019,。為了獲得較陡峭的阻帶衰減，采用5級耦合微帶線結(jié)構(gòu),。通過ADS優(yōu)化仿真,，將優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入到電路版圖，尺寸標(biāo)注如圖1所示,。圖2是電路仿真結(jié)果,，對電路版圖產(chǎn)生的仿真結(jié)果沒有進一步微調(diào)，目的是獲得該條件下耦合微帶線濾波器的一般尺寸即可,，從而與基于復(fù)合左右手傳輸線原理構(gòu)成的小型化濾波器的尺寸對比,。
圖1中，耦合微帶線中心對稱,。經(jīng)過優(yōu)化仿真,，尺寸優(yōu)化結(jié)果為W=2.73mm，L=5.36mm,，W1=1.156mm,，W2=1.675mm，W3=1.702mm,，L1=5.15mm,，L2=5.08mm，L3=5.0945mm,，S1=0.487mm,，S2=1.9mm，S3=2.1mm,。帶內(nèi)插損<1dB，通帶波紋<0.5dB,。最終,，該濾波器整體占用尺寸約為為19mm×36mm。
2 基于復(fù)合左右手傳輸線理論的帶通濾波器設(shè)計
在普通微帶線中，只有正的諧振模式,。在無耗情況下進行考慮,，βl=mπ，(m=1,，2,，3…)，β為傳播常數(shù),。諧振頻率決定腔的物理長度,，即當(dāng)諧振腔的長度為半波長的整數(shù)倍才會發(fā)生諧振，使得器件的尺寸大小受到了限制,。這樣,，基模(m=1)的微帶諧振腔長度至少為l=1/2·λ。
而CRLH TL的傳播常數(shù)可以為負(fù)(對應(yīng)傳輸模式m=-1,，-2…）,，可以為正(m=1，2…),，也可以為零(m=0),，這就使其具有了零模傳輸?shù)奶匦裕戳汶A諧振特性,。由理論推導(dǎo)可以看出,，此諧振模式與器件的尺寸無關(guān)。進一步運用Bloch-Floquet理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn),，其中心頻率只依賴于結(jié)構(gòu)本身加載的電容與電感,。因此，這個特性可以被用來研究實現(xiàn)微波器件的小型化,。
理想左手傳輸線由串聯(lián)電容和并聯(lián)電感組成,，因此，圖3所示的諧振單元可以來模仿這種電路的構(gòu)成形式：微帶線與該結(jié)構(gòu)單元之間的縫隙等效為串聯(lián)電容,，該結(jié)構(gòu)單元的中心短截線通過過孔接地等效為并聯(lián)電感,。基板參數(shù)與耦合微帶線濾波器相同,。由于加工精度的限制,，該單元饋線設(shè)置為近似50Ω，寬度Ws=2.8mm,，長度Fs=5.4mm,，過孔直徑為0.3mm，圓形覆銅焊盤直徑0.7mm,。該單元兩邊臂長C=3.2mm,，單元與饋線縫隙為0.2mm。當(dāng)B1=3.6mm， B2=3.4mm時,，該諧振單元諧振于9GHz,，對該單元結(jié)構(gòu)進行矩量法仿真，并對端口進行去嵌套處理,，取去嵌套距離為Fs,，即去嵌套邊界剛好取到縫隙電容邊緣。其傳輸特性如圖4所示,。通過調(diào)節(jié)中心短截線電感的長度或者饋線與單元間縫隙寬度可以大范圍調(diào)諧該結(jié)構(gòu)單元的諧振中心頻率,。例如，隨著中心短截線長度的減小,，該諧振單元的謝振頻率升高,，如圖5所示。
為了展寬工作帶帶寬,，克服單個單元帶寬窄的缺點,，將兩個圖3所示的單元級聯(lián)。單元級聯(lián)會使縫隙電容增大,，中心短截線的電感減小,，為了使帶通濾波器工作在9.2GHz~9.5GHz，應(yīng)在級聯(lián)狀態(tài)下對單個單元的臂長進行調(diào)諧,，并調(diào)節(jié)兩個單元的間距,，使其耦合程度達到最佳，表現(xiàn)出良好的通帶特性,。最終,，B1=3.6mm，B2=3.4mm,，C=3.2mm,，G=0.2mm，其他尺寸不變,。兩個單元間距D=0.8mm,。加上饋線與單元縫隙電容的距離，該結(jié)構(gòu)兩單元級聯(lián)尺寸為14mm×8.2mm(計入饋線長度),。同樣進行去嵌套處理,，距離兩饋線端口距離Fs，即去嵌套邊界取到縫隙電容邊緣,。其ADS矩量法和HFSS三維有限元仿真結(jié)果如圖6所示,。
從傳輸特性曲線可知，在通帶內(nèi),，插入損耗<1.5dB,，通帶波紋<0.5dB,。阻帶衰減有一定的惡化，但是在可以接受的范圍內(nèi),。通過MAO S G提出的基于S參數(shù)的電磁參數(shù)提取方法，得到該結(jié)構(gòu)的折射率n,，然后根據(jù)等式β=jω·Re(n)得到該結(jié)構(gòu)的色散曲線關(guān)系,，如圖7所示，該結(jié)構(gòu)在工作頻率9.2GHz~9.5GHz附近β近似于0,，使得該器件的尺寸幾乎不受1/2工作波長的影響,，尺寸得以大大減小。
3 測量結(jié)果
與傳統(tǒng)耦合微帶線濾波器相比,，該結(jié)構(gòu)實際占用尺寸縮小了80%,。兩種濾波器的傳輸特性測量結(jié)果如圖8和圖9所示。耦合微帶線濾波器測量結(jié)果與仿真結(jié)果相差較大,，這是由于加工精度的原因,，不能精確實現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果。復(fù)合左右手傳輸線的測量結(jié)果與仿真比較,，性能指標(biāo)基本實現(xiàn),。帶內(nèi)波紋增大，但仍然小于0.6dB,。插入損耗增大,，但小于2.7dB，這是由于基板損耗和厚度變化造成的,。
本文提出了一種工作于9GHz頻段的基于復(fù)合左右手傳輸線理論的零階諧振器單元,。該小型化濾波器與基于耦合微帶線形式的傳統(tǒng)濾波器相比，尺寸縮小了80%,，同時保持了相對低的插入損耗和良好的截止特性,。
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