小型化超寬阻帶共面波導低通濾波器設計

謝　綽,楊維明*,楊武韜,李紫怡,卜　力

(1.湖北大學計算機與信息工程學院,武漢 430062;2.武漢濱湖電子有限責任公司,武漢 430077)

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小型化超寬阻帶共面波導低通濾波器設計

謝綽1,楊維明1*,楊武韜2,李紫怡1,卜力1

(1.湖北大學計算機與信息工程學院,武漢 430062;2.武漢濱湖電子有限責任公司,武漢 430077)

摘要:為了解決傳統CPW低通濾波器尺寸偏大、阻帶較窄和插入損耗偏大的問題,采用λ/4階梯阻抗諧振單元(SIR)加載半圓形并聯枝節(SISS)和缺陷地結構(DGS)單元的緊湊型結構設計了一個5階CPW低通濾波器,分析了各單元結構參數對阻帶性能的影響,引入微帶線補償方法對共面波導中心導體線特性阻抗進行局部補償,改善了阻抗匹配性能,進一步降低了通帶內的回波損耗和插入損耗。測試結果表明:該濾波器結構尺寸25 mm×18 mm,3 dB截止頻率3.5 GHz,阻帶范圍3.8 GHz～17 GHz。實現了CPW低通濾波器的低插入損耗、超寬阻帶和小型化。

關鍵詞:低通濾波器;共面波導;超寬阻帶;缺陷地結構

共面波導(CPW)作為一種平面傳輸線結構,在微波集成電路(MIC)與射頻集成電路(RFIC)中得到了廣泛的應用。隨著現代通信技術的發展,對CPW型低通濾波器的需求日益增加,同時對其的研究也成為現代濾波器研究與設計的熱點[1]。一些學者在CPW低通濾波器設計方面做了大量研究[2-3]。存在的主要不足是:不能兼顧濾波器的插入損耗、選擇性、寬阻帶和小型化性能。

本文采用λ/4階梯阻抗諧振器與缺陷地結構(DGS)單元以及半圓形階梯阻抗并聯枝節級聯的電路結構,實現了濾波器的寬阻帶、低損耗和小型化。

1　濾波器結構單元性能分析

1.1λ/4短路枝節諧振單元特性

λ/4諧振單元是由2個或2個以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準橫向電磁場模式的諧振器,其結構如圖1所示。

它的一端開路,而另一端短路接地,在傳輸線開路端和短路端之間的特性阻抗和等效電長度分別為Z1、Z2和θ1、θ2。此諧振單元的尺寸b=7 mm,c=6 mm,e=5 mm,f=4 mm,m=5 mm。文獻[1]的研究結果表明:諧振器電學參數可用兩段傳輸線的特性阻抗Z1和Z2的比值來計算。

Rz=Z1/Z2

(1)

λ/4諧振單元的諧振條件為:

tan(θ1)·tan(θ2)=Rz

(2)

圖1　諧振器單元

1.2CPW結構的DGS單元特性

本文采用啞鈴型缺陷地結構單元,如圖2所示。其中白色部分為要蝕刻的圖形,它由長為k,寬為a的長方形以及一個長寬分別為x、d的矩形狹縫按圖示方式組合而成,中間部分是寬度為W的50Ω的微帶線。

圖2　CPW結構DGS單元及其等效電路

與微帶結構的DGS單元類似,CPW結構的DGS單元也可以等效為一個LC并聯諧振電路,如圖2(b)所示[4]。雖然DGS單元電路特性可以用并聯LC諧振電路來表示,但是受加工精度限制,啞鈴型DGS所能實現的等效電容較小,其等效的LC諧振電路呈感性。結構參數a、k、x的變化可以直接導致電路的等效電感、電容的變化,從而引起傳輸線截止頻率的變化。隨蝕刻出的面積增加,其等效電感L增加,等效電容變化不大,諧振頻率減小;槽寬x增加,等效電容減小明顯,諧振頻率增加,L幾乎不變;槽長d增加,諧振頻率減小,等效電容和電感增大[9]。因此,可通過調節DGS單元的結構尺寸,實現對阻帶中對應諧波頻率的抑制。但DGS單元在工作波長能與其結構尺寸相比擬時,會產生輻射,從而使濾波器性能在這部分頻段內變差[7-8]。

1.3半圓階梯阻抗并聯枝節特性

半圓型階梯阻抗并聯枝節結構包括2個相同的半徑為R的半圓,對稱的位于50Ω微帶線的兩側,與微帶線相距w2,分別通過一段寬度為w1的窄線與微帶線相聯,如圖3(a)所示,其等效電路如圖3(b)所示[9]。

圖3　半圓型階梯阻抗并聯枝節及其等效電路

半圓形并聯枝節等效的串聯電感很小,等效串聯諧振電路呈容性,本文采用該結構等效實現并聯電容。文獻[9]研究表明:w1=0.3 mm、w2=0.4 mm時,隨著R的減小,諧振電路的諧振頻率將增加,其截止頻率也增大。因此,可通過優化w1和R的尺寸,獲得所需要的諧振頻率點。

2　CPW低通濾波器設計與分析

2.1CPW低通濾波器設計

該濾波器的設計參數如下:截止頻率fc=3.5 GHz,帶內插入損耗小于2 dB,要求在1.5倍截止頻率處具有不小于35 dB的帶外衰減,輸入輸出阻抗為50 Ω。

首先基于λ/4短路枝節諧振單元設計出截止頻率為3.5 GHz的低通濾波器;然后采用DGS單元抑制阻帶內的高次諧波;但由于DGS單元在工作波長能與其結構尺寸相比擬時,會產生輻射,這使濾波器在阻帶的這部分頻率點性能變差,如帶內插損和駐波比增大等,由第2節分析結論可知,可通過設計合適的半圓形階梯阻抗并聯枝節半徑,找到相應的諧振頻率點,從而補償濾波器在這些頻率點的性能。另一方面,由于并聯枝節等效于電容,而DGS單元呈感性,在輻射損耗較大的高頻阻帶區,并聯枝節的引入,抵消了DGS單元的部分感性,它使得帶外2個零點之間的距離減小了,拓展阻帶帶寬,其實質是改善了阻抗匹配性能[9]。設計出的低通濾波器結構模型如圖4所示,介質厚度為H=0.635 mm,介質的相對介電常數為10.2。

圖4中,中間50 Ω微帶線的寬度w=1.23 mm。地與微帶間的狹縫寬為0.2 mm,兩邊啞鈴型缺陷地的邊長a=3 mm,啞鈴狹縫為0.5 mm×0.6 mm。2個半圓型諧振單元的半徑r=1 mm。中間λ/4型諧振單元的尺寸b=7 mm,c=6 mm,d=2 mm,e=5 mm,f=4 mm,m=5 mm。HFSS仿真結果如圖5所示。

圖4　CPW低通濾波器模型

圖5　CPW低通濾波器仿真結果

從圖看出:截止頻率fc=3.5 GHz,在2.5 GHz以前通帶的插入損耗小于1 dB,通帶內的回波損耗大于-10 dB,3.8 GHz～17 GHz阻帶內衰減低于20 dB,通帶內回波損耗還比較大,插入損耗也有待進一步改善。

2.2CPW低通濾波器結構優化

CPW低通濾波器的插入損耗是由以下損耗共同引起的:導體損耗、介質損耗和輻射損耗。對于一個給定的頻率,導體損耗、介質損耗和輻射損耗決定了諧振器的Q值。此外,濾波器的插入損耗和回波損耗還決定于輸入/輸出端的阻抗匹配程度。接下來采用分形技術和階梯阻抗結構進行優化,以減小損耗。在λ/4短路型諧振單元中引入Koch分形結構[10],分形結構改善了諧振單元的電磁場分布,對于通帶信號而言,其不連續性將大大減緩,而對于阻帶信號不產生影響;另一方面,在中心導體兩側引入半圓形并聯枝節后,其總的特性阻抗減小了,為此,對半圓型并聯枝節處的中心導體引入階梯阻抗,適當增大中心導體的特性阻抗,使得并聯枝節后的等效特性阻抗仍然接近50Ω。其中g=1.7 mm、f=2 mm、h=1 mm。結構如圖6所示,仿真結果如圖7所示。由于分形的引入減小了λ/4型諧振單元的電容效應,再引入階梯阻抗結構使CPW傳輸線匹配到50 Ω,從而減少了通帶的回波損耗和插入損耗。仿真結果顯示:通帶回波損耗小于-12 dB,插入損耗在2.5 GHz以前小于1 dB。在3.8 GHz～17 GHz阻帶抑制大于20 dB,最終的CPW濾波器的尺寸為25 mm×18 mm。

圖6　優化后的CPW低通濾波器模型

圖7　優化后的CPW低通濾波器仿真結果

2.3測試結果

圖8為實物照片和測量所得的傳輸特性曲線以及駐波比測試結果。由圖可知,截止頻率3.5 GHz,通帶內最大插入損耗在1.8 GHz處為-1.3 dB、通帶內駐波比小于1.7,在3.8 GHz～17 GHz范圍內阻帶抑制超過20 dB,由于焊接工藝和材料等原因,最后實測結果與仿真結果基本吻合,但不如仿真結果好。這是由于CPW線的部分加工誤差、測量接頭的不完全匹配造成的反射、以及仿真的不精確性造成的,同時SMA接頭本身的局限性以及接頭處的焊錫不均勻反射,導致了測試曲線在某些頻帶內的抖動和測試所得S11曲線中插入損耗的變化。

不同文獻對應的低通濾波器性能比較結果如表1所示,由表可知,本文的設計方法較好地解決了CPW濾波器尺寸、過渡帶和超寬阻帶等之間的矛盾,綜合性能最優。

圖8　CPW低通濾波器實物照片和測試結果

表1不同文獻對應的低通濾波器性能比較

文獻尺寸阻帶范圍/GHz截止頻率/GHz文獻160mm×30mm3．7～113．5文獻230mm×20mm2．7～6．51．6文獻340mm×20mm4．5～103．75文獻430mm×30mm3．98～10．92．91文獻530mm×30mm4．9～153．71本論文25mm×18mm3．8～173．5

3　結論

本文對λ/4短路枝節諧振單元和DGS單元以及半圓型階梯阻抗并聯枝節進行了性能分析,在此基礎上設計出CPW低通濾波器;通過對λ/4諧振單元的分形優化,使低通濾波器通帶內回波損耗明顯減小;通過對CPW中心導體線進行特性阻抗補償,改善了濾波器的端口匹配性能。測試結果表明:濾波器截止頻率為3.5 GHz,通帶內最大插入損耗為-1.3 dB,在3.8 GHz～17 GHz范圍內阻帶抑制超過20 dB。較好地解決了濾波器尺寸、損耗、選擇性和寬阻帶等之間的矛盾,綜合性能達到最優化。

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謝綽(1989-),男,漢族,湖北洪湖人,湖北大學計算機與信息工程學院碩士研究生,xiechuo168@163.com;

楊維明(1969-),男,漢族,湖北赤壁人,湖北大學計算機與信息工程學院教授,ywmwy@sina.com。

DesignoftheMiniaturizedUltraWideStop-BandCPWLow-PassFilter

XIEChuo1,YANGWeiming1*,YANGWutao2,LIZiyi1,BULi1

(1.The School of Physics and Electronic Technology,Hubei University,Wuhan 430062,China;2.Wuhan Binhu Electronics Company of Limited Liability,Wuhan 430077,China)

Abstract:A conventional coplanar waveguide(CPW)low pass filter(LPF)has a large area,a narrow stop-band and a high insert loss.To solve this problem,a miniaturized super wide stop-band 5-order CPW LPF is presented,which is composed of quarter wavelength stepped impedance resonators(SIR)and defected ground unit(DGS)cascaded by semicircle stepped impedance shunt stubs(SISS).The effect of parameter variation of SIR,DGS and SISS on band-stop characteristic is studied.By introducing micro-strip line compensation methods to compensate the characteristic impedance of CPW center conductor line,which can improve the impedance matching performances,and further reduce the return loss and insertion loss in the pass-band.The tested results show that the size of the filter is 25 mm×18 mm,3 dB cut-off frequency is 3.5 GHz,stop-band ranges from 3.8 GHz to 17 GHz.Finally,a miniaturization CPW LPF with low insert loss and ultra wide stop-band is realized.

Key words:low-pass filter;CPW;ultra wide stop-band;defected ground structure

doi:EEACC:131010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.015

中圖分類號:TN713

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0867-04

收稿日期:2013-09-10修改日期:2013-10-15