基于开环CPS谐振器实现三阶CPS低通滤波器的设计
来源：2009年全国微波毫米波会议论文集，作者：高艳艳，杨雪霞，周建永
1 引言
共面带状线（cps）是在二十世纪七十年代提出的一种同平面的传输线方式，由于结构简单，易于与有源和无源二端口器件跨接，避免了穿孔带来的工艺麻烦。同时，cps对介质厚度不敏感、由不连续结构引起寄生效应小， 高频电磁波传播时损耗较低等，因此，被广泛应用于馈电网络和微波电路，如印刷偶极子天线、滤波器、耦合器、谐振器和放大器等。
在整流天线系统中，低通滤波器要求允许基波通过，能够有效阻止二次、三次谐波，以提高整流天线系统的转换效率。因此，在整流天线系统中，具有宽阻带、低损耗的低通滤波器更具实际意义。文献用于整流天线系统中的cps带通滤波器和带阻滤波器，工作频率处插损仿真为-0.3db，衰减小于-10db的阻带带宽大约为6ghz，有效抑制了二次谐波，但是三次谐波抑制性能大于-5db，而且尺寸较大。
根据cps不连续结构特性的分析，半波长的t型开路枝节和开口环谐振电路，等效为串联的lc电路，产生传输零点，实现阻带特性。为了减小滤波器的体积，在微带线上开槽亦具有阻带特性。因此，通过在传输线内外添加t枝节和t型槽谐振可以很好的抑制高次谐波，实现低通滤波器宽阻带的设计。
本文提出了一种新型的开环cps谐振器，分析了其集总元件等效电路图。基于开环结构谐振器，设计了三阶cps低通滤波器，具有尺寸小，通带内损耗小，阻带带宽宽的特点，有效地抑制了二、三次谐波，可以应用到射频前端和整流天线系统中。
2 共面带状线（cps）结构
cps结构具有有限大小的介质板，如图1所示。根据cps传输线理论，当缝隙s不断增大时，cps的总损耗越来越小，而其特性阻抗变的越来越大。换句话说，高特性阻抗的cps结构对应着较小的传输损耗［3］。为了得到更高的二极管转换效率，需要cps具有低损耗、高特性阻抗的特性。
图1 共面带状线结构
本文所设计的cps结构低通滤波器所用介质板的相对介电常数为2.55，厚度为0.8mm，覆铜厚度为0.035mm。根据全波仿真软件ie3d分析，平行传输线的线宽w和间距s分别为0.6mm和0.4mm时，cps的特性阻抗z0为172ohm。
3 cps低通滤波器的设计
3.1 cps开环谐振器
本文提出的开环cps谐振器，其结构与等效电路如图2所示，由长度为λg/2的谐振开路环实现。根据不连续性结构特性分析，周长为λg/2开路环等效为电感lp，开路环和传输线间的间距g1等效为耦合电容cp1，对称开路环间距g2等效为耦合电容cp2。那么，图2所示的开路环结构可以等效为串联的lc电路。等效的串联谐振电路并联在传输线之间，产生一个传输零点，实现阻带特性。
在图2中，开路环的长度为7.4mm，线宽为0.4mm，缝隙间距g1、g2均为0.4mm，谐振频率为9.4ghz，频率特性如图3（a）所示。通带内s21最小为-0.068db，频率9.4ghz时s21达到-31.8db。根据ie3d仿真曲线图3（b）分析，当缝隙s、g1、g2增大时，通带内的插损逐渐减小，谐振频率往高频偏移。主要是因为环与传输线、对称环之间的耦合电容减小，谐振频率变大，谐振q值增大。
图2 cps开环谐振器
图3（a） cps开环结构的频响特性
图3（b） cps开环结构频响随g2的变化趋势
3.2 具有t枝节的cps开环谐振器
为了增强阻带的深度和宽度，在以上开环谐振器上加一对半波长t型谐振器，其结构与等效电路如图4所示。半波长t枝节等效为电感l’p，t枝节与传输线之间缝隙g3等效为耦合电容c’p。那么t型开路结构和开路环等效为两个串联的lc谐振电路，通过产生两个传输零点达到增加二次谐波衰减的目的。其中t枝节的长度为6.6mm，开口环的长度为7mm。频率特性如图5所示，在9.8ghz和13.6ghz处产生两个谐振点，s21分别为-24.5db和-37db，展宽了阻带。
图4 具有t枝节的开环谐振结构
图5 t枝节的开环谐振结构的频响特性
由于抑制二、三次谐波的带宽较宽，在cps平行传输线上开槽，亦可等效为串联的lc电路，通过产生一个传输零点，在不增大体积的前提下，进一步抑制三次谐波。
3.3 三阶cps低通滤波器设计
利用上述的开环结构（图2）和复合结构（图4）设计了一个三阶cps低通滤波器，其结构和等效电路如图6所示。w和s的尺寸即为上述cps尺寸，l1=5.6mm，l2=3.7mm，l3=3.5mm。
图6 三阶cps低通滤波器
通过ie3d软件仿真得到，具有t枝节的三阶cps低通滤波器的s11、s21频响曲线如图7所示。在5.8ghz、11.6ghz和17.4ghz处，s21分别为-0.095db、-25.1db和-13db，很好的阻止了二次谐波。
图7 三阶cps低通滤波器频率特性
为了更好地抑制三次谐波，在w线宽上面开t型槽，其结构与等效电路图如图8所示。其中l4=4.3mm，槽宽为0.4mm。仿真曲线如图9所示，很好地抑制了三次谐波。在基频、二次、三次谐波的s参数列于表1。
图8 改进型三阶cps低通滤波器
图9 改进型三阶cps低通滤波器
表1 改进型三阶cps低通滤波器的频响特性
5 结论
本文基于cps基本电路理论，设计了一个工作在5.8ghz频率的三阶cps低通滤波器，其尺寸为25mm *7.6mm， 通带内的插损最小为-0.08db， 3db截止频率为7.7ghz，衰减小于-15db的绝对带宽为10.3ghz，有效地抑制了二、三次谐波。
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共面带状线（cps）是在二十世纪七十年代提出的一种同平面的传输线方式，由于结构简单，易于与有源和无源二端口器件跨接，避免了穿孔带来的工艺麻烦。同时，cps对介质厚度不敏感、由不连续结构引起寄生效应小， 高频电磁波传播时损耗较低等，因此，被广泛应用于馈电网络和微波电路，如印刷偶极子天线、滤波器、耦合器、谐振器和放大器等。
在整流天线系统中，低通滤波器要求允许基波通过，能够有效阻止二次、三次谐波，以提高整流天线系统的转换效率。因此，在整流天线系统中，具有宽阻带、低损耗的低通滤波器更具实际意义。文献用于整流天线系统中的cps带通滤波器和带阻滤波器，工作频率处插损仿真为-0.3db，衰减小于-10db的阻带带宽大约为6ghz，有效抑制了二次谐波，但是三次谐波抑制性能大于-5db，而且尺寸较大。
根据cps不连续结构特性的分析，半波长的t型开路枝节和开口环谐振电路，等效为串联的lc电路，产生传输零点，实现阻带特性。为了减小滤波器的体积，在微带线上开槽亦具有阻带特性。因此，通过在传输线内外添加t枝节和t型槽谐振可以很好的抑制高次谐波，实现低通滤波器宽阻带的设计。
本文提出了一种新型的开环cps谐振器，分析了其集总元件等效电路图。基于开环结构谐振器，设计了三阶cps低通滤波器，具有尺寸小，通带内损耗小，阻带带宽宽的特点，有效地抑制了二、三次谐波，可以应用到射频前端和整流天线系统中。
2 共面带状线（cps）结构
cps结构具有有限大小的介质板，如图1所示。根据cps传输线理论，当缝隙s不断增大时，cps的总损耗越来越小，而其特性阻抗变的越来越大。换句话说，高特性阻抗的cps结构对应着较小的传输损耗［3］。为了得到更高的二极管转换效率，需要cps具有低损耗、高特性阻抗的特性。
图1 共面带状线结构
本文所设计的cps结构低通滤波器所用介质板的相对介电常数为2.55，厚度为0.8mm，覆铜厚度为0.035mm。根据全波仿真软件ie3d分析，平行传输线的线宽w和间距s分别为0.6mm和0.4mm时，cps的特性阻抗z0为172ohm。
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3.1 cps开环谐振器
本文提出的开环cps谐振器，其结构与等效电路如图2所示，由长度为λg/2的谐振开路环实现。根据不连续性结构特性分析，周长为λg/2开路环等效为电感lp，开路环和传输线间的间距g1等效为耦合电容cp1，对称开路环间距g2等效为耦合电容cp2。那么，图2所示的开路环结构可以等效为串联的lc电路。等效的串联谐振电路并联在传输线之间，产生一个传输零点，实现阻带特性。
在图2中，开路环的长度为7.4mm，线宽为0.4mm，缝隙间距g1、g2均为0.4mm，谐振频率为9.4ghz，频率特性如图3（a）所示。通带内s21最小为-0.068db，频率9.4ghz时s21达到-31.8db。根据ie3d仿真曲线图3（b）分析，当缝隙s、g1、g2增大时，通带内的插损逐渐减小，谐振频率往高频偏移。主要是因为环与传输线、对称环之间的耦合电容减小，谐振频率变大，谐振q值增大。
图2 cps开环谐振器
图3（a） cps开环结构的频响特性
图3（b） cps开环结构频响随g2的变化趋势
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图4 具有t枝节的开环谐振结构
图5 t枝节的开环谐振结构的频响特性
由于抑制二、三次谐波的带宽较宽，在cps平行传输线上开槽，亦可等效为串联的lc电路，通过产生一个传输零点，在不增大体积的前提下，进一步抑制三次谐波。
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图6 三阶cps低通滤波器
通过ie3d软件仿真得到，具有t枝节的三阶cps低通滤波器的s11、s21频响曲线如图7所示。在5.8ghz、11.6ghz和17.4ghz处，s21分别为-0.095db、-25.1db和-13db，很好的阻止了二次谐波。
图7 三阶cps低通滤波器频率特性
为了更好地抑制三次谐波，在w线宽上面开t型槽，其结构与等效电路图如图8所示。其中l4=4.3mm，槽宽为0.4mm。仿真曲线如图9所示，很好地抑制了三次谐波。在基频、二次、三次谐波的s参数列于表1。
图8 改进型三阶cps低通滤波器
图9 改进型三阶cps低通滤波器
表1 改进型三阶cps低通滤波器的频响特性
5 结论
本文基于cps基本电路理论，设计了一个工作在5.8ghz频率的三阶cps低通滤波器，其尺寸为25mm *7.6mm， 通带内的插损最小为-0.08db， 3db截止频率为7.7ghz，衰减小于-15db的绝对带宽为10.3ghz，有效地抑制了二、三次谐波。
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