新型寬阻帶共面帶狀線低通濾波器

     引言

　　共面帶狀線(CPS)是在二十世紀七十年代提出的一種同平面的傳輸線方式，由于結構簡單，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，CPS對介質厚度不敏感、由不連續結構引起寄生效應小， 高頻電磁波傳播時損耗較低等，因此，被廣泛應用于饋電網絡和微波電路，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的轉換效率。因此，在整流天線系統中，具有寬阻帶、 低損耗的低通濾波器更具實際意義。用于整流天線系統中的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CPS不連續結構特性的分析，半波長的T型開路枝節和開口環諧振電路，等效為串聯的LC電路，產生傳輸零點，實現阻帶特性。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，通過在傳輸線內外添加T枝節和T型槽諧振可以很好的抑制高次諧波，實現低通濾波器寬阻帶的設計。

　　本文提出了一種新型的開環CPS諧振器，分析了其集總元件等效電路圖。基于開環結構諧振器，設計了三階CPS低通濾波器，具有尺寸小，通帶內損耗小，阻帶帶寬寬的特點，有效地抑制了二、三次諧波，可以應用到射頻前端和整流天線系統中。

　　共面帶狀線(CPS)結構

　　CPS結構具有有限大小的介質板，如圖1所示。根據CPS傳輸線理論，當縫隙S不斷增大時，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結構對應著較小的傳輸損耗。為了得到更高的二極管轉換效率，需要CPS具有低損耗、高特性阻抗的特性。

　　圖1 共面帶狀線結構

　　本文所設計的CPS結構低通濾波器所用介質板的相對介電常數為2.55，厚度為0.8mm，覆銅厚度為0.035mm。根據全波仿真軟件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，CPS的特性阻抗Z0為172ohm。

　　CPS低通濾波器的設計

　　1 CPS開環諧振器

　　本文提出的開環CPS諧振器，其結構與等效電路如圖2所示，由長度為λg/2的諧振開路環實現。根據不連續性結構特性分析，周長為λg/2開路環等效 為電感Lp，開路環和傳輸線間的間距g1等效為耦合電容cp1，對稱開路環間距g2等效為耦合電容cp2。那么，圖2所示的開路環結構可以等效為串聯的 LC電路。等效的串聯諧振電路并聯在傳輸線之間，產生一個傳輸零點，實現阻帶特性。

　　在圖2中，開路環的長度為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S21最小為-0.068dB，頻率9.4GHz時S21達到-31.8dB。根據IE3D仿真曲線圖3(b)分析，當縫隙S、g1、g2增大時，通 帶內的插損逐漸減小，諧振頻率往高頻偏移。主要是因為環與傳輸線、對稱環之間的耦合電容減小，諧振頻率變大，諧振Q值增大。

　　圖2 CPS開環諧振器

　　圖3(a) CPS開環結構的頻響特性

　　圖3(b) CPS開環結構頻響隨g2的變化趨勢