基于CRLH结构的小型超宽带滤波器

褚庆昕，黄健全，刘传运

(华南理工大学电子与信息学院，广州 510640)

超宽带无线技术具有高数据传输率、低发射功率及简单的码率差错控制等优势，已广泛应用于近距离高速无线通信．超宽带带通滤波器作为建立超宽带电路和系统的关键器件之一，要求在 3.1～10.6,GHz的通带内插损小、群延时平坦，具有良好的高低端频率选择性及带外抑制能力．

近年来，各种类型的超宽带(ultra wide band，UWB)带通滤波器(band-pass filter，BPF)得以提出[1-9]．高通滤波器与低通滤波器级联实现的超宽带滤波器[1]具有很好的带外抑制能力，但往往尺寸较大；文献[2]提出了一种准集总元件实现的超宽带带通滤波器，带内插损及占用电路面积较小，同时具有较宽的高端阻带；采用各种多模谐振器设计超宽带带通滤波器为近期的研究热点[3-7]，这类滤波器具有较长的传输线结构，带内会产生多个传输极点，插损较小，但其高端阻带较窄；还有其他方式可以实现超宽带带通滤波器，如多层宽耦合结构[8]、带缺陷地的平行耦合结构[9]等．

与传统右手传输线相比，采用复合左右手(composite left/right-handed，CRLH)结构来设计带通滤波器，能大大减小器件尺寸，增加带宽[10]．但为了获得较好的选择性，一般需将多个 CRLH单元级联，这样会增加滤波器的带内插损．在文献[11]中，采用 2个 CRLH单元设计了一系列超宽带带通滤波器，测试相对带宽达到了72%，带内测试插损约为2.6,dB．

本文提出的超宽带滤波器仅采用一个 CRLH结构单元，该CRLH单元的串联电容和并联电感分别由面面耦合[12]的平板电容和短路支节线形成．单元内存在交叉耦合，适当调整交叉耦合电容及左右手参数，将产生3个可控传输零点，实现具有良好选择性的超宽带带通滤波器．实际制作的滤波器结构紧凑，尺寸为0.47λ0×0.28 λ0(λ0为滤波器中心频率6.85,GHz 的导波长)；3.1～10.6,GHz的带内测试插损小于 1.5,dB；同时具有较宽的高端阻带及平坦的带内群延时．

1 滤波器设计

1.1 CRLH单元特性

本文提出的超宽带滤波器电路结构如图 1(a)～(c)所示．CRLH 单元等效集总电路由串联电容 CL、并联电感 LL构成，单元的寄生效应则等效为并联电容CR和串联电感 LR，与传统的 CRLH 结构不同的是，在单元内部引入了交叉耦合电容 Cg，如图 2所示．

图1 超宽带滤波器电路结构Fig.1 Schematics of the proposed UWB BPF

图2 CRLH单元等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit model of the CRLH unit cell

根据Bloch理论，由该单元周期性构成的CRLH传输线(transmission line，TL)的传播特性可以表示[13]为

式中：γ为传播常数；ω为工作频率；p为CRLH单元长度；A为CRLH单元对应的传输函数矩阵第一元素，即

由图3所示的CRLH单元的色散及衰减特性可见，交叉耦合电容的引入对于 CRLH单元的左手通带基本没有影响，但会明显增加其右手通带的相移．同时，右手通带带宽也随着Cg增加而减小．

图3 不同交叉耦合电容下CRLH单元的色散及衰减特性Fig.3 Dispersions and attenuations diagram with various Fig.3 cross-coupled capacitances for the CRLH unit

由该单元电路的对称性，可采用奇偶模法分析CRLH 单元的传输零点[2]．其偶模、奇模阻抗分别为

式中 Z0为端口阻抗．当 S21＝0时，可由式(5)求出相应的传输零点．

如图 4所示，交叉耦合电容 Cg在低端会引入一个传输零点，当 Cg增加时，该传输零点会略向高端移动．而在Cg取值得当时，同时会在高端产生2个传输零点，形成高端阻带．

图4 CRLH单元的插损随交叉耦合电容的变化趋势Fig.4 Insertion loss of the CRLH unit cell with various Fig.4 cross-coupled capacitances

当其他元件不变，CL、LL按一定比值增加时，3个传输零点会同时由高端向低端移动．图5为超宽带滤波器在 Cg＝0.35 pF、LR＝1.254 nH、CR＝0.337 pF 的情况下，传输零点随CL、LL的变化趋势．

图5 CL、LL按固定比值变化时CRLH单元传输零点的变化曲线Fig.5 Curves to relate the transmission-zeros to the value of Fig.5 CLand LLwith fixed ration of CL/LL

而当CR、LR按固定比值增加时，高端的2个传输零点将由高端向低端移动，二者相互靠近最后合为一点，高端阻带变窄．与此同时，低端的传输零点基本保持不变．图 6为超宽带滤波器在 CL＝0.32,pF、LL＝1.728,nH 及 Cg为不同的值时，传输零点随 CR、LR的变化趋势．

由上可知，由于存在交叉耦合，适当调整该CRLH单元的左、右手参数及交叉耦合电容，可以使CRLH单元形成3个可控的传输零点，实现具有良好选择性的超宽带滤波器．其中低端截止频率主要由左手参数 CL、LL控制，在确定低端截止频率后，可通过调整其他参数改变高端截止频率，使滤波器中心频率及带宽满足设计要求．

图6 CR、LR按固定比值变化时CRLH单元传输零点图6 的变化曲线Fig.6 Curves to relate the transmission-zeros to the value of CRand LRwith fixed ration of CR/LR

1.2 超宽带滤波器设计

新型超宽带滤波器仅采用一个 CRLH 单元，结构如图 1所示，由一段中间分割的共面波导、另一面与之正对的金属板以及连接金属板与地之间的短路支节线构成．共面波导中间的导体板和与之正对的金属板之间的面面耦合形成串联电容 CL，可由电路基板材质及正对面积决定；短路支节线形成并联电感LL，主要决定于支节线阻抗及电长度；单元的寄生效应则等效为并联电容 CR和串联电感 LR，可由共面波导的特性阻抗及电长度估算；而被分割的共面波导之间的交叉耦合电容为 Cg．因此由 CRLH 单元参数可估算滤波器的电路尺寸初值．

图7 w5和w6对滤波器带宽的影响Fig.7 Effect of w5and w6on band-width of BPF

超宽带滤波器采用介质基板相对介电常数 εr＝2.55，损耗正切 tan δ＝0.001 9，厚度 h＝0.8,mm．如图7所示，当 w5由小变大，其通带变宽，且中心频率略往低端移动；当 w6由小变大，滤波器带宽明显增加，同时低端传输零点略往高端移动；w4由大变小时，滤波器带宽基本不变，而选择性有所改善，高端阻带抑制水平则略有下降，如图8所示．

图8 w4对滤波器选择性的影响Fig.8 Effect of w4on selectivity of BPF

2 滤波器制作与测量

通过Ansoft HFSS软件优化，滤波器尺寸最后选择为 s1＝0.22,mm，s2＝0.87,mm，w1＝4.5,mm，w2＝3.2,mm，w3＝0.22,mm，w4＝4,mm，w5＝0.7 mm，w6＝4,mm，l1＝2.5,mm及l2＝15,mm．所制作的滤波器实物如图9所示．滤波器的全波及集总等效电路模型仿真结果如图10所示．其中集总等效电路的参数为：CL＝0.32,pF，LL＝1.728,nH，CR＝0.38,pF，LR＝1.254,nH，Cg＝0.337 pF．

图9 超宽带滤波器制作实物Fig.9 Photograph of the fabricated UWB BPF

图10 超宽带滤波器集总等效电路、全波仿真和测试结果Fig.10 Frequency responses of simulation in full-wave and Fig.10 equivalent circuit model and measurement of the Fig.10 fabricated UWB BPF

滤波器测试采用安捷伦 N5230矢量网络分析仪，测试结果同时绘于图 10．集总等效电路、全波仿真和测试结果吻合良好；滤波器具有良好的选择性，其选择特性大于±20,dB/GHz；在3.1～10.6 GHz的通带范围内，测试插损小于 1.5,dB，略大于仿真结果，这主要是测试所用的 SMA转接头引入的损耗；反射损耗大于 17,dB，滤波器与端口匹配良好．在 11.95～16.00 GHz的阻带范围内，传输抑制大于20 dB，具有较好的带外抑制能力；而在加上滤波器两端的传输线及 SMA转接头的延时，带内的群延时小于 0.85 ns，群延时变化小于0.36,ns，平坦的群延时确保超宽带信号经过滤波器后失真较小．

3 结 语

本文提出了一种基于CRLH结构的超宽带滤波器，在保证选择性的前提下，由于仅采用一个CRLH单元，滤波器具有小尺寸(0.47,λ0×0.28,λ0)、低插损(小于1.5,dB)的特点．仿真和测试结果同时表明，该滤波器具有较好的带外抑制能力．

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