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1 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。文獻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。 2 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[3]。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。 3 CPS低通濾波器的設計 3.1 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 3.2 具有T枝節的CPS開環諧振器 為了增強阻帶的深度和寬度，在以上開環諧振器上加一對半波長T型諧振器，其結構與等效電路如圖4所示。半波長T枝節等效為電感L’p，T枝節與傳輸線之間縫隙g3等效為耦合電容C’p。那么T型開路結構和開路環等效為兩個串聯的LC諧振電路，通過產生兩個傳輸零點達到增加二次諧波衰減的目的。其中T枝節的長度為6.6mm，開口環的長度為7mm。頻率特性如圖5所示，在9.8GHz和13.6GHz處產生兩個諧振點，S21分別為-24.5dB和-37dB，展寬了阻帶。 圖4 具有T枝節的開環諧振結構 圖5 T枝節的開環諧振結構的頻響特性 由于抑制二、三次諧波的帶寬較寬，在CPS平行傳輸線上開槽，亦可等效為串聯的LC電路，通過產生一個傳輸零點，在不增大體積的前提下，進一步抑制三次諧波。 3.3 三階CPS低通濾波器設計 利用上述的開環結構(圖2)和復合結構(圖4)設計了一個三階CPS低通濾波器，其結構和等效電路如圖6所示。W和S的尺寸即為上述CPS尺寸，L1=5.6mm，L2=3.7mm，L3=3.5mm。 圖6 三階CPS低通濾波器 通過IE3D軟件仿真得到，具有T枝節的三階CPS低通濾波器的S11、S21頻響曲線如圖7所示。在5.8GHz、11.6GHz和17.4GHz處，S21分別為-0.095dB、-25.1dB和-13dB，很好的阻止了二次諧波。 圖7 三階CPS低通濾波器頻率特性 為了更好地抑制三次諧波，在W線寬上面開T型槽，其結構與等效電路圖如圖8所示。其中L4=4.3mm，槽寬為0.4mm。仿真曲線如圖9所示，很好地抑制了三次諧波。在基頻、二次、三次諧波的S參數列于表1。 圖8 改進型三階CPS低通濾波器 圖9 改進型三階CPS低通濾波器 表1 改進型三階CPS低通濾波器的頻響特性 5 結論 本文基于CPS基本電路理論，設計了一個工作在5.8GHz頻率的三階CPS低通濾波器，其尺寸為25mm *7.6mm, 通帶內的插損最小為-0.08dB, 3dB截止頻率為7.7GHz，衰減小于-15dB的絕對帶寬為10.3GHz，有效地抑制了二、三次諧波。 |
