新型D-CRLH傳輸線寬帶帶阻濾波器設計

雷 濤，吳良威，周瑞山，向天宇，朱曉維

（1. 東南大學 信息科學與工程學院 毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 211189；2. 中國振華集團云科電子有限公司，貴州 貴陽 550018；3. 貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

新型D-CRLH傳輸線寬帶帶阻濾波器設計

雷 濤1,2,3，吳良威1，周瑞山2，向天宇3，朱曉維1

（1. 東南大學 信息科學與工程學院 毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 211189；2. 中國振華集團云科電子有限公司，貴州 貴陽 550018；3. 貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

提出一種新穎的對偶復合左右手傳輸線（D-CRLH TL）結構單元，設計了一款小型化四階寬帶帶阻濾波器。通過縫隙耦合形成左手電容和右手電感，位于結構下方的矩形貼片形成右手電容，與矩形貼片相連接的短截線形成左手電感。可以通過改變矩形貼片寬度和短截線的長度來調節帶阻濾波器的中心頻率和帶寬。濾波器有效設計尺寸為11.5 mm×6.7 mm，等于0.23λ×0.13λ（λ為中心頻率在自由空間的波長），尺寸較小。仿真測試結果表明該濾波器阻帶中心頻率為5.6 GHz，20 dB阻帶帶寬為50%，50 dB阻帶帶寬為30%。

對偶復合左右手傳輸線；帶阻濾波器；寬帶；高阻帶抑制；貼片；仿真

帶阻濾波器在微波電路的器件應用中不可或缺，其作用主要是用來抑制不相關的干擾信息[1]。隨著現代通信技術的發展，系統對具有寬阻帶、高帶外抑制、高選擇性、小型化特性的帶阻濾波器的需求越來越迫切[2]。但是傳統微帶結構以及缺陷地結構的帶阻濾波器往往具有體積較大，阻帶寬度較窄，抑制度不夠，加工、封裝不便等問題[3-4]。2006年，Caloz[5]提出了對偶復合左右手傳輸線（D-CRLH TL）結構的概念，對于D-CRLH TL傳輸線結構而言，左手特性體現在高頻部分，右手特性體現在低頻部分，這就使得 D-CRLH TL結構的低頻通帶和高頻通帶之間存在著天然的帶阻特性。此后，基于 D-CRLH TL結構的小型化、大帶寬、高阻帶抑制的帶阻濾波器受到廣泛關注。本文采用一種新型的D-CRLH TL改進型結構，設計的帶阻濾波器帶寬大、阻帶抑制度高、結構緊湊、設計簡單，能夠廣泛應用于無線通信系統中。

1 D-CRLH TL結構設計與分析

傳輸線型左手材料有兩種主流的人工電磁結構：一種是傳統的復合左右手傳輸線(CRLH TL)結構，等效電路如圖1（a）所示。另外一種是在傳統復合左手傳輸線的基礎上的改進型結構——對偶復合左右手傳輸線（D-CRLH TL）結構，等效電路如圖1（b）所示。對于CRLH TL結構，其等效電路模型中右手電感LR和左手電容CL產生的是串聯諧振，右手電容CR和左手電感LL產生的是并聯諧振。而D-CRLH TL結構模型中的右手電感LR和左手電容CL產生的是并聯諧振，右手電容CR和左手電感LL產生的是串聯諧振，這與CRLH TL正好成對偶形式。

圖1 等效電路圖Fig.1 Equivalent circuits

在D-CRLH TL結構的低頻部分，LR和CR在電路中發揮著主要的作用，電路呈現右手特性。而在高頻部分，LL和CL在電路中發揮著主要的作用，電路呈現出左手特性。對于D-CRLH TL結構而言，右手特性通帶分布在低頻部分，左手特性通帶分布在高頻部分，D-CRLH TL結構的低頻通帶部分和高頻通帶部分之間存在著天然的帶阻特性。

本文所設計的結構單元模型如圖2所示，該結構采用微帶傳輸線結構，介質材料為 Rogers4350，相對介電常數為3.48，厚度為0.254 mm。

等效電路模型如圖3所示，由圖3可知，單元結構通過縫隙耦合形成左手電容Cd和右手電感Ld；位于結構下方的矩形貼片通過與微帶結構中的地板耦合形成接地右手電容Cp，與矩形貼片相連接的短截線形成接地左手電感 Ls。避免了傳統復合左右手傳輸線結構中的交指部分和打孔接地方式，結構大為簡化，有利于小型化設計。圖3中Lt、Ct為微帶線的寄生電感和電容，為簡化分析，可忽略微帶線的寄生效應。

圖2 D-CRLH TL單元結構模型Fig.2 Structure of D-CRLH TL cell

圖3 單元結構等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit of D-CRLH TL cell

2 D-CRLH TL帶阻濾波器的仿真設計

本文采用 HFSS仿真軟件進行該濾波器的仿真設計，基于上述單元結構模型，構造了四階帶阻濾波器，為了便于分析比較，優化設計，采用將單元結構級聯的方式進行帶阻濾波器的設計。圖4給出了該帶阻濾波器的四階結構模型，根據濾波器中心頻率，濾波器初始參數設定為W1=0.54 mm，W2=1.80 mm，W3=0.40 mm，W4=W5=0.20 mm，L1=2.40 mm，L2=2.80 mm，L3=2.80 mm，L4=0.50 mm，L5=4.00 mm。

圖4 四階帶阻濾波器結構模型Fig.4 Structure of Four-order bandstop filter

為了進一步驗證等效電路的正確性，在其他參數保持不變的情況下，改變D-CRLH TL單元結構中的矩形貼片電容的寬度 W2以及與矩形貼片相連接的短截線的長度L3，采用HFSS對四階帶阻濾波器的傳輸特性進行掃描。

圖5表明在其他結構參數給定的情況下，隨著矩形貼片寬度W2的增加，右手電容Cp增大，下阻帶截止頻率向低頻移動；圖6表明在其他結構參數給定的情況下，隨著短截線長度L3的增加，左手電感Ls增大，上阻帶截止頻率向低頻移動。可以通過改變寬度W2和長度L3調節帶阻濾波器的中心頻率和帶寬。

圖5 矩形貼片寬度W2對濾波器頻率響應的影響Fig.5 Simulated frequency responses of the filter with varied W2

圖6 短截線長度L3對濾波器頻率響應的影響Fig.6 Simulated frequency responses of the filter with varied L3

3 濾波器測試

根據以上分析，通過調整優化，得到該濾波器最優參數為：W1=0.54 mm，W2=1.80 mm，W3=0.40 mm，W4=W5=0.20 mm，L1=2.40 mm，L2=2.80 mm，L3=2.65 mm，L4=0.50 mm，L5=4.00 mm。四階D-CRLH TL帶阻濾波器實物如圖7所示，四階模型的有效尺寸為11.5 mm×6.7 mm（不包括兩端50 Ω匹配傳輸饋線尺寸）。通過R&SZNB40矢量網絡分析儀測試濾波器的S參數，仿真測試結果如圖8所示。

圖7 四階D-CRLH帶阻濾波器實物Fig.7 Photograph of the fabricated four-order D-CRLH filter

圖8 濾波器仿真測試結果Fig.8 Simulated and measured results for the filter

所設計的帶阻濾波器的工作頻帶不是很高（C波段），工作頻率對結構尺寸的敏感度不是特別高，因此在相對保證加工精度的前提下，測試結果與仿真結果吻合度較高。同時，仿真測試結果表明：該濾波器20 dB阻帶帶寬50%，50 dB阻帶帶寬30%，基本覆蓋C波段，與參考文獻[6]所提出的同類濾波器相比，該濾波器阻帶帶寬提高了一倍，有效尺寸減小 71.6%；與參考文獻[7]所提出的濾波器相比，有效尺寸減小13%，最高阻帶抑制度提高近40 dB，與參考文獻[8]所提出的濾波器相比，阻帶抑制度提高了21 dB，而且阻帶寬度更大。

4 結論

基于D-CRLH TL原理，利用HFSS仿真軟件設計了一款高帶外抑制、寬帶小型化帶阻濾波器。通過縫隙耦合形成左手電容和右手電感，位于結構下方的矩形貼片形成右手電容，與矩形貼片相連接的短截線形成左手電感。可以通過改變寬度W2和長度L3調節帶阻濾波器的中心頻率和帶寬。濾波器仿真與測試結果表明該濾波器20 dB阻帶帶寬50%，50 dB阻帶帶寬30%，基本覆蓋C波段，同時，濾波器有效設計尺寸為11.5 mm×6.7 mm（0.23λ×0.13λ），結構十分緊湊。基于該新型D-CRLH傳輸線的寬帶帶阻濾波器在現代無線通信系統中具有廣闊的應用前景。

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[6] 夏祖學, 陳瀟杰, 薛強. 基于對偶復合左右手傳輸線的緊湊微帶帶阻濾波器 [C]//全國微波毫米波會議. 北京:中國電子學會, 2015.

[7] 王政, 王光明, 吳國成. 基于新型對偶復合左右手傳輸線的高性能帶阻濾波器設計 [J]. 工程設計學報, 2014, 21(3): 273-276.

[8] 張文, 逯科. 基于對偶復合左右手單元小型化帶阻濾波器設計 [J].空軍工程大學學報, 2012, 13(6): 25-29.

Design of wideband bandstop filter based on novel D-CRLH TL

LEI Tao1,2,3, WU Liangwei1, ZHOU Ruishan2, XIANG Tianyu3, ZHU Xiaowei1
(1. State Key Laboratory of Millimeter Waves, School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. Yunke Electronics Co., Ltd, China Zhenhua Group, Guiyang 550018, China; 3. School of Mechanical and Electrical Engineering, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China)

A novel dual composite right/left-handed transmission line (D-CRLH TL) was proposed. Based on the D-CRLH TL cell, a miniaturized four-order wideband bandstop filter was designed. Left-handed capacitor and right-handed inductance were obtained by coupling of microstrip lines, right-handed capacitor was obtained by the rectangular patch and left-handed inductance was obtained by the stub. The centre frequency and bandwidth of the stopband could be controlled by adjusting the width of the rectangular patch and the length of the stub. The size of this designed filter is 11.5 mm×6.7 mm, which equals to 0.23λ×0.13λ（λ is the wavelength of center frequency in the free space). The simulated and measured results show that the bandstop filter has a centre frequency of 5.6 GHz. The 20 dB stopband fractional bandwidth is 50% and the 50 dB stopband fractional bandwidth is 30%.

D-CRLH TL; bandstop filter; wideband; high stopband rejection; patch; simulation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.01.012

TN713

A

1001-2028（2018）01-0062-04

貴州省科學技術基金計劃項目（黔科合基礎[2016]1108）；貴州省科學技術基金項目（黔科合LH字[2014]7048）

2017-09-19

朱曉維

雷濤（1985－），男，山西運城人，副教授，博士后，主要從事無源濾波器研究；

朱曉維（1963－），男，江蘇南京人，教授，博士，主要從事無線通信系統中的射頻技術研究。

（編輯：陳渝生）