基于單個(gè)CSRR CRLH結(jié)構(gòu)的雙頻帶通濾波器*

卞耀冬， 王偉,2， 尹镕基， 姚斌,2， 辛志慧,2

(1.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500)

無線通信系統(tǒng)向多頻帶、集約化的發(fā)展對(duì)射頻濾波器的多頻段和小型化提出了更高的要求，傳統(tǒng)濾波器只能篩選一個(gè)頻段，需添加多個(gè)濾波器實(shí)現(xiàn)篩選多個(gè)頻帶，這會(huì)使射頻前端的尺寸增加，雙頻帶濾波器的出現(xiàn)解決了這一問題.目前，設(shè)計(jì)雙頻帶通濾波器的方法一是利用半波長(zhǎng)型階梯阻抗諧振器(SIR)的諧振特性來設(shè)計(jì)來產(chǎn)生雙頻帶[1-2]，此類濾波器兩通帶的中心頻率可通過阻抗比來調(diào)節(jié)，但帶寬難以調(diào)節(jié)；二是利用多個(gè)多模諧振器并聯(lián)于同入同出的饋電端口[3-4]，但此類濾波器的尺寸過大，不能滿足現(xiàn)今5G通信小型化的要求.有學(xué)者提出利用互補(bǔ)開口諧振環(huán)(CSRR)的復(fù)合左右手(CRLH)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)濾波器，但單個(gè)CSRR CRLH單元諧振器只有一個(gè)諧振點(diǎn)的出現(xiàn)[5]，若要實(shí)現(xiàn)雙頻帶通濾波，需要將兩個(gè)CSRR CRLH諧振單元級(jí)聯(lián)[6-8]，這種方式雖然實(shí)現(xiàn)了雙頻帶的特性，但增加了濾波器的尺寸.

本文通過增加開路枝節(jié)線[9]，引入新的傳輸零點(diǎn)，將基于單個(gè)CSRR CRLH諧振單元的單頻帶帶通濾波器分裂為雙頻帶帶通濾波器，并將開路枝節(jié)線彎曲[10]以進(jìn)一步縮小濾波器的尺寸，同時(shí)對(duì)該雙頻帶帶通濾波器進(jìn)行了電磁場(chǎng)分析.

1 CSRR CRLH結(jié)構(gòu)特性分析

1.1 CSRR CRLH單元結(jié)構(gòu)

圖1為方形CSRR CRLH結(jié)構(gòu)示意圖，圖中青色部分為接地面，白色部分為接地面下表面的刻蝕結(jié)構(gòu)，由于其負(fù)介電常數(shù)的特性而形成阻帶，缺陷地結(jié)構(gòu)由兩個(gè)開口的正方形構(gòu)成.開口大小分別為g1=0.8 mm,g2=0.5 mm，外環(huán)和內(nèi)環(huán)的寬度W1均為0.5 mm.黃色部分為介質(zhì)層上表面的50 Ω微帶線.在50 Ω微帶線上留有縫隙形成串聯(lián)電容，這樣原有的阻帶變?yōu)橥◣?

通過三維電磁仿真軟件HFSS建模CSRR CRLH單元結(jié)構(gòu)，選用厚度為0.508 mm的Rogers Ro4350板材，相對(duì)介電常數(shù)為3.66.由圖2仿真S參數(shù)可知，CSRR CRLH單元結(jié)構(gòu)具有明顯的帶通濾波特性，且在諧振點(diǎn)具有較小的回波損耗S11，小于-30 dB，插入損耗S21接近于0 dB；但CSRR CRLH單元結(jié)構(gòu)阻帶抑制不強(qiáng)，并且只有單通帶的功能，無法滿足多頻帶射頻前端的要求.為了將該結(jié)構(gòu)用于設(shè)計(jì)多頻帶通濾波器，需要引入傳輸零點(diǎn)[11]使得濾波器具有較強(qiáng)的阻帶抑制能力和雙頻帶的功能.

圖1 CSRR CRLH 單元結(jié)構(gòu)

圖2 CSRR CRLH單元仿真S參數(shù)結(jié)果

1.2 CSRR CRLH傳輸特性與各參數(shù)的關(guān)系

為研究CSRR CRLH單元結(jié)構(gòu)的傳輸特性與各參數(shù)的關(guān)系，采用上述板材進(jìn)行三維電磁仿真.開口諧振環(huán)的外環(huán)長(zhǎng)度、外環(huán)與內(nèi)環(huán)的距離、微帶線之間的間距等均會(huì)對(duì)傳輸特性產(chǎn)生影響，結(jié)果如圖3所示.圖3(a)給出了外環(huán)長(zhǎng)度X2分別為8、10 mm和12 mm時(shí)的S21仿真結(jié)果，此時(shí)內(nèi)環(huán)長(zhǎng)度X1、外內(nèi)環(huán)開口g1和g2以及微帶線間隙d保持不變.結(jié)果表明：隨著外環(huán)長(zhǎng)度X2的變大，帶通濾波器的中心頻率向左移.圖3(b)給出了微帶線間隙d分別為2、4 mm和6 mm時(shí)的S21仿真結(jié)果，此時(shí)內(nèi)外環(huán)長(zhǎng)度X1和X2以及外內(nèi)環(huán)開口g1和g2保持不變.結(jié)果表明：隨著微帶線之間的間隙d變大，帶通濾波器的中心頻率向左移，帶寬在逐漸增大.根據(jù)上述分析可調(diào)整CSRR CRLH結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變通帶的頻段范圍以滿足設(shè)計(jì)需求.

圖3 CSRR CRLH單元傳輸特性與各參數(shù)的關(guān)系

2 基于CSRR CRLH雙頻帶通濾波器

2.1 濾波器結(jié)構(gòu)

提出的雙頻帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示，僅采用一個(gè)CSRR CRLH結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其接地面下表面刻蝕圖形為方形結(jié)構(gòu)的CSRR開口諧振環(huán)，中間是介質(zhì)基板，表面由50 Ω微帶線與開路枝節(jié)線組成.通過在輸入、輸出50 Ω微帶線之間添加開路枝節(jié)線引入新的傳輸零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)雙頻帶特性，并將開路枝節(jié)線彎曲以縮減整個(gè)濾波器的尺寸.

(a)俯視圖 (b)仰視圖

2.2 濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)濾波器性能影響

雙頻帶通濾波器采用Rogers Ro4350介質(zhì)基板，其厚度為0.508 mm，頂層金屬層厚度為35 μm.該濾波器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：開路線L2和L3的長(zhǎng)度，微帶線之間的間隙d，矩形CSRR外環(huán)X2的長(zhǎng)度，內(nèi)環(huán)X1的長(zhǎng)度.通過計(jì)算及分析得到濾波器的初始值為[12]：L2=15 mm、L3=16 mm、d=1 mm、X2=10 mm、X1=5 mm.在此基礎(chǔ)上，對(duì)影響濾波器性能的主要參數(shù)進(jìn)行仿真分析,以便優(yōu)化濾波器結(jié)構(gòu)的尺寸.

圖5 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)濾波器性能的影響

開路線變化對(duì)濾波器的傳輸特性影響如圖5(a)所示.隨著開路線L2、L3的增大，通帶內(nèi)引入一個(gè)新的傳輸零點(diǎn)，由單通帶變?yōu)殡p通帶，并且兩個(gè)通帶的帶寬在逐漸變小，阻帶抑制效果逐漸增強(qiáng).

d變化對(duì)通帶的影響如圖5(b)所示.隨著d增大，兩個(gè)通帶中心頻率均向右平移，但第二通帶中心頻率右移更快；同時(shí)，第一通帶帶寬逐漸增大，而第二通帶帶寬相對(duì)減小.

X2變化對(duì)通帶的影響如圖5(c)所示.隨著X2增大，第一通帶的中心頻率向左移，帶寬逐漸增大，而第二通帶基本保持不變.

X1變化對(duì)通帶的影響如圖5(d)所示.隨著X1增大，第一通帶基本保持不變，但第二通帶中心頻率逐漸向左移，帶寬逐漸增大.

3 實(shí)物測(cè)試與分析

經(jīng)過多次的優(yōu)化仿真最終確定濾波器的具體尺寸如表1所示.該濾波器尺寸為0.2 λg×0.2 λg，對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行實(shí)物制作，實(shí)際尺寸為3 cm×3 cm.

表1 雙頻帶通濾波器的尺寸

圖6 濾波器S參數(shù)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果

采用羅德與施瓦茨ZNB20矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器進(jìn)行測(cè)試.圖6比較了實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果，可以看出：濾波器第一通帶和第二通帶的中心頻率和插入損耗分別為1.9 GHz/1.7 dB和2.9 GHz/2.8 dB，在DC-1.05 GHz、2.20-2.50 GHz和3.45-4.00 GHz阻帶范圍內(nèi)的帶外抑制優(yōu)于20 dB，實(shí)現(xiàn)了雙頻帶通特性.相比仿真結(jié)果，測(cè)試的插入損耗比仿真結(jié)果分別增大了1.0 dB和1.9 dB,第二通帶的中心頻率比仿真結(jié)果向左偏移0.1 GHz，這主要是由SMA接頭與微帶線轉(zhuǎn)接引入損耗造成，其次是板材加工精度有限導(dǎo)致.

表2 濾波器性能對(duì)比

該濾波器與其他文獻(xiàn)雙頻帶濾波器的性能比較如表2所示.通過對(duì)比，本文所設(shè)計(jì)的雙頻帶濾波器在取得較好濾波性能的同時(shí)還具有小型化的優(yōu)勢(shì).

4 濾波器的場(chǎng)分布

為了分析該濾波器的工作原理，對(duì)該結(jié)構(gòu)兩個(gè)通帶中心頻率點(diǎn)及中間阻帶最低點(diǎn)的電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真分析.圖7分別給出了對(duì)應(yīng)上述濾波器第一頻帶中心頻率點(diǎn)1.9 GHz、中間阻帶最低頻率點(diǎn)2.4 GHz和第二頻帶中心頻率點(diǎn)3 GHz的電場(chǎng)分布.由圖7可見，第一頻帶主要由開路枝節(jié)線的下方和外環(huán)之間強(qiáng)電場(chǎng)耦合產(chǎn)生，第二頻帶主要由開路枝節(jié)線上方和內(nèi)環(huán)之間強(qiáng)電場(chǎng)耦合產(chǎn)生，而在中間阻帶，開路枝節(jié)線與外環(huán)和內(nèi)環(huán)均沒有明顯的強(qiáng)電場(chǎng)耦合.

(a)1.9 GHz電場(chǎng) (b)2.4 GHz電場(chǎng) (c)3 GHz電場(chǎng)

5 結(jié)語

僅采用一個(gè)基于CSRR的CRLH結(jié)構(gòu)，通過在接地面下表面刻蝕CSRR結(jié)構(gòu)，并與上層50 Ω微帶線和開路枝節(jié)線產(chǎn)生電容耦合，引入新的傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì).理論分析結(jié)合仿真得到了CSRR CRLH結(jié)構(gòu)的諧振特性，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙頻帶濾波器的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)第一通帶和第二通帶中心頻率點(diǎn)和帶寬的調(diào)節(jié).從場(chǎng)分布的角度分析了濾波器的工作機(jī)理.濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，證實(shí)了濾波器的可行性.該濾波器具有小型化、高選擇性的特性，可用于5G N2波段，具有良好的應(yīng)用價(jià)值.