基于复合左右手传输线的带通滤波器小型化设计

理想左手传输线由串联电容和并联电感组成，因 此，图 3 所示的谐振单元可以来模仿这种电路的构成形 式: 微带线与该结构单元之间的缝隙等效为串联电容， 该结构单元的中心短截线通过过孔接地等效为并联电 感。 基板参数与耦合微带线滤波器相同。 由于加工精度 的 限 制 , 该单 元馈线 设置 为 近 似50 Ω , 宽 度 Ws =2.8 mm ， 长 度 Fs =5.4 mm ， 过 孔 直 径 为 0.3 mm ， 圆 形 覆 铜 焊 盘 直 径 0.7 mm 。 该 单 元 两 边 臂 长 C=3.2 mm ， 单 元 与 馈 线 缝 隙 为 0.2 mm 。 当 B1=3.6 mm, B2=3.4 mm 时 ， 该 谐 振 单 元 谐 振 于 9 GHz ， 对 该 单 元 结 构 进 行 矩 量 法 仿 真 ， 并 对 端 口 进 行 去 嵌 套 处 理 ， 取 去 嵌 套 距 离 为 Fs， 即 去 嵌 套 边 界 刚 好 取 到缝隙电容边缘。 其传输特性如图 4 所示。 通过调节中 心短截线电感的长度或者馈线与单元间缝隙宽度可以 大范围调谐该结构单元的谐振中心频率。 例如，随着中 心短截线长度的减小， 该谐振单元的谢振频率升高，如 图 5 所示。
内 波 纹 和 良 好 的 截 止 特 性 , 尺 寸 缩 小 了 80% 。
关键词: 复合左右手传输线；带通滤波器；S 参数提取方法
中 图 分 类 号 ： TN603.5
文献标识码： B
文 章 编 号 ： 0258-7998(2011)04-0088-03
Design of compact 9.2 GHz~9.5 GHz band pass filter based on right/left-handed composite transmission line
《 电 子 技 术 应 用 》 2011 年 第 37 卷 第 4 期
通信与网络 Communication and Network
救雷达频段。 与传统的耦合微带线形式的带通滤波器相 比 ， 在 兼 顾 性 能 的 前 提 下 , 其 实 际 占 用 尺 寸 缩 小 了 80% 。 并 且 通 过 将 基 于 有 限 元 的 HFSS 全 波 仿 真 结 果 与 基 于 矩 量 法 的 ADS 仿 真 结 果 和 实 际 测 量 结 果 对 比 ， 分 析 了 该 小型化滤波器的性能。
Wang Heng, Ding Jun, Chen Peilin
（ School of Electronics and Information Engineering , North Western Polytechnical University, Xi ’ an 710129, China ）
Abstract ： In this paper, a novel type of zero -order resonator unit cell is proposed based on the theory of composite right/lefthanded transmission line. With two unit cells of this type, a novel compact 9.2 GHz ~9.5 GHz band pass filter is designed with the comparison of results from full -wave simulation and measurements. The S -parameter retrieval method is utilized to analyze the per formance of the filter. The results show that compared with conventional coupled -microstrip line filter, the occupied size of the pro posed filter reduced by 80% while maintaining comparable low ripples in pass-band and good performance of cut-off characteristics.
为了展宽工作带带宽， 克服单个单元带宽窄的缺
B2
Fs
Ws
G

C
传 输 / dB
B1
频 率 / GHz
图 2 耦合微带线滤波器电路仿真
图 1 中，耦合微带线中心对称。 经过优化仿真，尺寸 优 化 结 果 为 W =2.73 mm , L =5.36 mm ，W1 =1.156 mm , W2 =1.675 mm, W3 =1.702 mm, L1 =5.15mm, L2 =5.08 mm, L3 =5.094 5 mm, S1 =0.487 mm, S2 =1.9 mm, S3 =2.1 mm 。 带 内 插 损 <1 dB, 通 带 波 纹 <0.5 dB 。 最 终 ， 该 滤 波 器 整 体 占 用 尺 寸 约 为 为 19 mm ×36 mm 。 2 基于复合左右手传输线理论的带通滤波器设计
通信与网络 Communication and Network
基于复合左右手传输线的带通滤波器小型化设计 *
王 恒， 丁 君， 陈沛林 （ 西 北 工 业 大 学 电 子 信 息 学 院 ， 陕 西 西 安 710129 ）
摘 要: 提出了一种工作于 X 波段的基于复合左右手传输线理论的零阶谐振器单元。 利用两个这
Key words ： composite right/left-handed transmission line ； band pass filter ； S-parameter retrieval method
1968 年 ， 前 苏 联 科 学 家 VESELAGO 从 Maxwell 方 程 出发分析了电磁波在介电常数 ε 和磁导率 μ 同时为负 的 介 质 中 的 传 播 特 性 [1]， 即 电 磁 波 在 这 种 物 质 中 传 播 时 电场 E、磁场 H 和波矢量 k 成左手关系，定义这种材料 为 左 手 材 料 LHMs (Left Hand Materials) 。 1996 年 和 1999 年 ， 英 国 帝 国 理 工 大 学 的 PENDRY 教 授 分 别 提 出 导 体 杆 (Wires) [2] 和 开 口 谐 振 环 SRRs (Split Ring Resonator) [3] 来 分 别 实 现 负 介 电 常 数 ε 和 负 磁 导 率 μ 。 2001 年 ， 美 国 加 州 大 学 的 SMITH D R 等 人 ， 通 过 组 合 导 体 杆 和 开 口 谐 振 环 阵 列 [4], 首 次 构 造 出 了 微 波 频 段 ε 和 μ 同 时 为 负 的 左 手材料，取得了突破性进展。 复合左右手传输线可以视 为 左 手 材 料 基 于 电 路 理 论 的 实 现 形 式 ， 由 CALOZ 等 人 于 2002 年 提 出 [5] 。 其 左 手 传 输 线 等 效 电 路 是 由 串 联 电 容 与并联电感构成，实际电路形式为交指电容和短截线电 感。 由于寄生参数效应，其等效电路会出现串联电感与
L L1
W
S1 W1
W1 W2
S2
W2 L2
W3 S3
W3 L3
图 1 耦合微带线尺寸
频率决定腔的物理长度， 即当谐振腔的长度为半波长的 整数倍才会发生谐振, 使得器件的尺寸大小受到了限制。 这 样 ，基 模(m=1) 的 微 带 谐 振 腔 长 度 至 少 为 l=1/2·λ。
而 CRLH TL 的 传 播 常 数 可 以 为 负 ( 对 应 传 输 模 式 m=-1,-2… ），可 以 为 正(m=1,2…)，也 可 以 为 零(m=0)， 这就使其具有了零模传输的特性，即零阶谐振特性。 由 理论推导可以看出，此谐振模式与器件的尺寸无关。 进 一 步 运 用 Bloch-Floquet 理 论 推 导 发 现 ， 其 中 心 频 率 只 依 赖于结构本身加载的电容与电感。 因此，这个特性可以 被用来研究实现微波器件的小型化。
时的传输特性曲线
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通信与网络 Communication and Network
频 率 / GHz
dB ( S21 )
频 率 / GHz
图 5 不 同 B1 、 B2 对 应 的 谐 振 频 率 的 改 变
点，将两个图 3 所示的单元级联。 单元级联会使缝隙电 容增大，中心短截线的电感减小，为了使带通滤波器工 作 在 9.2 GHz ~9.5 GHz, 应 在 级 联 状 态 下 对 单 个 单 元 的 臂长进行调谐，并调节两个单元的间距，使其耦合程度 达 到 最 佳 ， 表 现 出 良 好 的 通 带 特 性 。 最 终 ，B1=3.6 mm ， B2 =3.4 mm ，C =3.2 mm ，G =0.2 mm ， 其 他 尺 寸 不 变 。 两 个 单 元 间 距 D=0.8 mm 。 加 上 馈 线 与 单 元 缝 隙 电 容 的 距 离 , 该 结 构 两 单 元 级 联 尺 寸 为 14 mm ×8.2 mm ( 计 入 馈 线 长 度 ) 。 同 样 进 行 去 嵌 套 处 理 ， 距 离 两 馈 线 端 口 距 离 Fs ， 即 去 嵌 套 边 界 取 到 缝 隙 电 容 边 缘 。 其 ADS 矩 量 法 和 HFSS 三维有限元仿真结果如图 6 所示。
在普通微带线中，只有正的谐振模式。 在无耗情况 下 进 行 考 虑 ，βl=mπ, (m=1,2,3 … ), β 为 传 播 常 数 。 谐 振
《 电 子 技 术 应 用 》 2011 年 第 37 卷 第 4 期
传 输 / dB
Via 图 3 本文提出的基于复合左右手传输线的新型谐振单元
频 率 / GHz 图 4 该 单 元 B1 = 3 . 6 mm ， B2 = 3 . 4 mm ， C = 3 . 2 mm