新型对偶复合双传输线带阻滤波器设计

新型对偶复合双传输线带阻滤波器设计

1968年，前苏联物理治疗师从理论上研究了介电常数和磁导率为负的材料的奇怪电反应行为。在此基础上，提出了左材料的概念。从1996年到1999年，英国科学家j.b.pedrey等人首先利用太阳角（rod）实现了具有负介电常数的等效介质，用周期性开口共振环（srr）实现了具有负导率的等效介质。21世纪初，美国科学家d.r.smith和他的科研团队首次利用太阳角和罗德在微波段中的负介电常数和负磁导率方面首次提出了这种材料。2004年，caloz等人在前人工作的基础上提出了一种复合左向心的传输模型。作为实现左向心材料最常用的方法，复合左向心传输线结构在微波工程领域得到了广泛应用和应用。2006年,Caloz教授等在此基础上进一步提出了对偶复合左右手传输线模型,相比于传统的复合左右手传输线结构,对偶复合左右手结构的最大特点就是其左手频段位于高频端,右手频段位于低频端.可以预见,这种新型左手传输线结构以其独特的电磁特性,在微波工程中具有广阔的应用前景.带阻滤波器是现代无线通信系统中必不可少的微波器件,常用来抑制不需要的频段信号或者对所需信号进行纯化.随着微波工程技术的飞速发展,小型化、高性能已成为当前带阻滤波器研究的两大热点.文献采用缺陷地结构设计了一种新型的对偶复合左右手传输线结构并将其用于具有高矩形度的带阻滤波器设计,但由于缺陷地结构的存在,所设计的滤波器不利于封装.文献采用电磁阻带结构设计了一款频率可调的带阻滤波器,但其整体结构较大,没有实现小型化功能.与传统复合左右手结构相比,对偶复合左右手结构的实现方式较少.本文在前人研究的基础上,综合利用交指螺旋线结构和带有正方形贴片的枝节设计了一种新型对偶复合左右手传输线结构,并研究了其电磁特性.在此基础上,设计加工了一款具有小型化特性的带阻滤波器,测试结果表明,所设计的带阻滤波器工作频率为3.56GHz,阻带带宽为39.3%,阻带矩形度为0.85,同时阻带外通带性能良好,整体性能优越.此外,所设计的滤波器整体尺寸为0.237λ×0.145λ(λ为中心频率在自由空间波长),小型化优势显著.1对偶复合整体结构的电磁特性仿真分析图1(a)为对偶复合左右手结构等效电路模型.图1(b)为对偶复合左右手传输线结构,所采用介质板的相对介电常数为2.65,厚度为1mm.通过对本文提出的对偶复合左右手结构进行分析可知:交指螺旋线提供并联左手电容CL,与螺旋线平行的窄微带线提供并联右手电感LR;垂直于主微带线的短截线提供串联左手电感LL,正方形贴片与地面形成的电容为串联右手电容CR.根据对偶复合左右手等效电路,文献给出了对偶复合左右手结构的左右手截止频率的计算公式:从式(1)可知若要使对偶复合左右手的左右手截止频率相等,即ωcR=ωcL=ω0,则必须使LLCL→∞且LRCR→0,但对于实际电路来说这是不可能的,因此可知,对偶复合左、右手的左右手截止频率间一定会有阻带存在.为进一步深入分析对偶复合左右手结构的电磁特性,给定参数如表1所示.采用AnsoftDesigner进行仿真分析.图2为其S参数仿真结果,图3为该结构的色散曲线.通过图2可知本文所提出的结构具有良好的阻带特性,并且阻带外的通带性能优越,阻带边沿选择性较好,可用来设计具有高选择性的带阻器件.图3是该结构的色散曲线,从中可知本文所提结构具有2个右手频带和1个左手频带,并且在第1右手频带和左手频带间存在不可消除的阻带,进一步证明了该结构为对偶复合左右手传输线结构.为研究结构参数对其电磁传输特性产生的影响,分别对交指螺旋线长度l1、短截线宽度w3和正方形贴片边长l2进行扫描分析,仿真结果见图4.从图4(a)可知,随着交指螺旋线长度的增加,高频传输零点逐渐减小,而低频传输零点无明显变化,由此可知,交指螺旋线长度主要影响阻带内高频传输零点;图4(b)中随着短截线宽度的增加,阻带内低频传输零点逐渐升高,而高频传输零点基本无变化,由此可知,短截线宽度主要影响阻带内低频传输零点;由图4(c)可知,随着正方形贴片边长的减小,2个传输零点逐渐靠近并最终相同,同时带阻性能变差.综合上述分析可知,单元结构阻带内的2个传输零点相互独立并可控.2带阻滤波器的设计根据上述对对偶复合左右手单元结构参数的扫描分析可知,当给定表2中参数时,单元结构阻带特性突出,同时阻带外通带性能较好.仿真结果如图5所示.由图5可知,当取表2给定的结构参数时,单元结构在阻带间产生了2个传输零点,阻带性能优越.根据上述分析,采用2个单元级联的方式设计一款带阻滤波器,并对其进行实物加工和测试.图6为带阻滤波器实物照片,图7为仿真测试结果对比.从图7可知,测试结果与仿真结果吻合较好,进一步证明了本文设计的有效性.测试结果表明,所设计的带阻滤波器阻带中心频率为3.56GHz,阻带带宽为39.3%,阻带矩形度为0.85,阻带外高频端-10dB通带范围为4.47~8.42GHz,整体性能优越.同时本文设计的带阻滤波器尺寸为0.237λ×0.145λ(λ为中心频率在自由空间波长),和传统结构的带阻滤波器相比,有效尺寸减小了50%以上,小型化优势明显.3带阻滤波器的设计和加工提出了一种新型对偶复合左右手传输线结构,采用理论分析和仿真验证的方法,证明所提结构具有良好的阻带特性.在此基础上,采用2个单元结构级联的方式设计、加工了一款带阻滤波