新型D-CRLH传输线宽带带阻滤波器设计

雷 涛，吴良威，周瑞山，向天宇，朱晓维

（1. 东南大学 信息科学与工程学院 毫米波国家重点实验室，江苏 南京 211189；2. 中国振华集团云科电子有限公司，贵州 贵阳 550018；3. 贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

新型D-CRLH传输线宽带带阻滤波器设计

雷 涛1,2,3，吴良威1，周瑞山2，向天宇3，朱晓维1

（1. 东南大学 信息科学与工程学院 毫米波国家重点实验室，江苏 南京 211189；2. 中国振华集团云科电子有限公司，贵州 贵阳 550018；3. 贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

提出一种新颖的对偶复合左右手传输线（D-CRLH TL）结构单元，设计了一款小型化四阶宽带带阻滤波器。通过缝隙耦合形成左手电容和右手电感，位于结构下方的矩形贴片形成右手电容，与矩形贴片相连接的短截线形成左手电感。可以通过改变矩形贴片宽度和短截线的长度来调节带阻滤波器的中心频率和带宽。滤波器有效设计尺寸为11.5 mm×6.7 mm，等于0.23λ×0.13λ（λ为中心频率在自由空间的波长），尺寸较小。仿真测试结果表明该滤波器阻带中心频率为5.6 GHz，20 dB阻带带宽为50%，50 dB阻带带宽为30%。

对偶复合左右手传输线；带阻滤波器；宽带；高阻带抑制；贴片；仿真

带阻滤波器在微波电路的器件应用中不可或缺，其作用主要是用来抑制不相关的干扰信息[1]。随着现代通信技术的发展，系统对具有宽阻带、高带外抑制、高选择性、小型化特性的带阻滤波器的需求越来越迫切[2]。但是传统微带结构以及缺陷地结构的带阻滤波器往往具有体积较大，阻带宽度较窄，抑制度不够，加工、封装不便等问题[3-4]。2006年，Caloz[5]提出了对偶复合左右手传输线（D-CRLH TL）结构的概念，对于D-CRLH TL传输线结构而言，左手特性体现在高频部分，右手特性体现在低频部分，这就使得 D-CRLH TL结构的低频通带和高频通带之间存在着天然的带阻特性。此后，基于 D-CRLH TL结构的小型化、大带宽、高阻带抑制的带阻滤波器受到广泛关注。本文采用一种新型的D-CRLH TL改进型结构，设计的带阻滤波器带宽大、阻带抑制度高、结构紧凑、设计简单，能够广泛应用于无线通信系统中。

1 D-CRLH TL结构设计与分析

传输线型左手材料有两种主流的人工电磁结构：一种是传统的复合左右手传输线(CRLH TL)结构，等效电路如图1（a）所示。另外一种是在传统复合左手传输线的基础上的改进型结构——对偶复合左右手传输线（D-CRLH TL）结构，等效电路如图1（b）所示。对于CRLH TL结构，其等效电路模型中右手电感LR和左手电容CL产生的是串联谐振，右手电容CR和左手电感LL产生的是并联谐振。而D-CRLH TL结构模型中的右手电感LR和左手电容CL产生的是并联谐振，右手电容CR和左手电感LL产生的是串联谐振，这与CRLH TL正好成对偶形式。

图1 等效电路图Fig.1 Equivalent circuits

在D-CRLH TL结构的低频部分，LR和CR在电路中发挥着主要的作用，电路呈现右手特性。而在高频部分，LL和CL在电路中发挥着主要的作用，电路呈现出左手特性。对于D-CRLH TL结构而言，右手特性通带分布在低频部分，左手特性通带分布在高频部分，D-CRLH TL结构的低频通带部分和高频通带部分之间存在着天然的带阻特性。

本文所设计的结构单元模型如图2所示，该结构采用微带传输线结构，介质材料为 Rogers4350，相对介电常数为3.48，厚度为0.254 mm。

等效电路模型如图3所示，由图3可知，单元结构通过缝隙耦合形成左手电容Cd和右手电感Ld；位于结构下方的矩形贴片通过与微带结构中的地板耦合形成接地右手电容Cp，与矩形贴片相连接的短截线形成接地左手电感 Ls。避免了传统复合左右手传输线结构中的交指部分和打孔接地方式，结构大为简化，有利于小型化设计。图3中Lt、Ct为微带线的寄生电感和电容，为简化分析，可忽略微带线的寄生效应。

图2 D-CRLH TL单元结构模型Fig.2 Structure of D-CRLH TL cell

图3 单元结构等效电路模型Fig.3 Equivalent circuit of D-CRLH TL cell

2 D-CRLH TL带阻滤波器的仿真设计

本文采用 HFSS仿真软件进行该滤波器的仿真设计，基于上述单元结构模型，构造了四阶带阻滤波器，为了便于分析比较，优化设计，采用将单元结构级联的方式进行带阻滤波器的设计。图4给出了该带阻滤波器的四阶结构模型，根据滤波器中心频率，滤波器初始参数设定为W1=0.54 mm，W2=1.80 mm，W3=0.40 mm，W4=W5=0.20 mm，L1=2.40 mm，L2=2.80 mm，L3=2.80 mm，L4=0.50 mm，L5=4.00 mm。

图4 四阶带阻滤波器结构模型Fig.4 Structure of Four-order bandstop filter

为了进一步验证等效电路的正确性，在其他参数保持不变的情况下，改变D-CRLH TL单元结构中的矩形贴片电容的宽度 W2以及与矩形贴片相连接的短截线的长度L3，采用HFSS对四阶带阻滤波器的传输特性进行扫描。

图5表明在其他结构参数给定的情况下，随着矩形贴片宽度W2的增加，右手电容Cp增大，下阻带截止频率向低频移动；图6表明在其他结构参数给定的情况下，随着短截线长度L3的增加，左手电感Ls增大，上阻带截止频率向低频移动。可以通过改变宽度W2和长度L3调节带阻滤波器的中心频率和带宽。

图5 矩形贴片宽度W2对滤波器频率响应的影响Fig.5 Simulated frequency responses of the filter with varied W2

图6 短截线长度L3对滤波器频率响应的影响Fig.6 Simulated frequency responses of the filter with varied L3

3 滤波器测试

根据以上分析，通过调整优化，得到该滤波器最优参数为：W1=0.54 mm，W2=1.80 mm，W3=0.40 mm，W4=W5=0.20 mm，L1=2.40 mm，L2=2.80 mm，L3=2.65 mm，L4=0.50 mm，L5=4.00 mm。四阶D-CRLH TL带阻滤波器实物如图7所示，四阶模型的有效尺寸为11.5 mm×6.7 mm（不包括两端50 Ω匹配传输馈线尺寸）。通过R&SZNB40矢量网络分析仪测试滤波器的S参数，仿真测试结果如图8所示。

图7 四阶D-CRLH带阻滤波器实物Fig.7 Photograph of the fabricated four-order D-CRLH filter

图8 滤波器仿真测试结果Fig.8 Simulated and measured results for the filter

所设计的带阻滤波器的工作频带不是很高（C波段），工作频率对结构尺寸的敏感度不是特别高，因此在相对保证加工精度的前提下，测试结果与仿真结果吻合度较高。同时，仿真测试结果表明：该滤波器20 dB阻带带宽50%，50 dB阻带带宽30%，基本覆盖C波段，与参考文献[6]所提出的同类滤波器相比，该滤波器阻带带宽提高了一倍，有效尺寸减小 71.6%；与参考文献[7]所提出的滤波器相比，有效尺寸减小13%，最高阻带抑制度提高近40 dB，与参考文献[8]所提出的滤波器相比，阻带抑制度提高了21 dB，而且阻带宽度更大。

4 结论

基于D-CRLH TL原理，利用HFSS仿真软件设计了一款高带外抑制、宽带小型化带阻滤波器。通过缝隙耦合形成左手电容和右手电感，位于结构下方的矩形贴片形成右手电容，与矩形贴片相连接的短截线形成左手电感。可以通过改变宽度W2和长度L3调节带阻滤波器的中心频率和带宽。滤波器仿真与测试结果表明该滤波器20 dB阻带带宽50%，50 dB阻带带宽30%，基本覆盖C波段，同时，滤波器有效设计尺寸为11.5 mm×6.7 mm（0.23λ×0.13λ），结构十分紧凑。基于该新型D-CRLH传输线的宽带带阻滤波器在现代无线通信系统中具有广阔的应用前景。

[1] 卑璐璐, 张申, 黄凯, 等. 多传输零点的宽带带阻滤波器设计 [J]. 电子元件与材料, 2015, 34(2): 54-57.

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[4] 陈林, 李民权, 汪炜, 等. 新型缺陷地结构带阻滤波器[J]. 电子元件与材料, 2014, 33(1): 32-34.

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[6] 夏祖学, 陈潇杰, 薛强. 基于对偶复合左右手传输线的紧凑微带带阻滤波器 [C]//全国微波毫米波会议. 北京:中国电子学会, 2015.

[7] 王政, 王光明, 吴国成. 基于新型对偶复合左右手传输线的高性能带阻滤波器设计 [J]. 工程设计学报, 2014, 21(3): 273-276.

[8] 张文, 逯科. 基于对偶复合左右手单元小型化带阻滤波器设计 [J].空军工程大学学报, 2012, 13(6): 25-29.

Design of wideband bandstop filter based on novel D-CRLH TL

LEI Tao1,2,3, WU Liangwei1, ZHOU Ruishan2, XIANG Tianyu3, ZHU Xiaowei1
(1. State Key Laboratory of Millimeter Waves, School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. Yunke Electronics Co., Ltd, China Zhenhua Group, Guiyang 550018, China; 3. School of Mechanical and Electrical Engineering, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China)

A novel dual composite right/left-handed transmission line (D-CRLH TL) was proposed. Based on the D-CRLH TL cell, a miniaturized four-order wideband bandstop filter was designed. Left-handed capacitor and right-handed inductance were obtained by coupling of microstrip lines, right-handed capacitor was obtained by the rectangular patch and left-handed inductance was obtained by the stub. The centre frequency and bandwidth of the stopband could be controlled by adjusting the width of the rectangular patch and the length of the stub. The size of this designed filter is 11.5 mm×6.7 mm, which equals to 0.23λ×0.13λ（λ is the wavelength of center frequency in the free space). The simulated and measured results show that the bandstop filter has a centre frequency of 5.6 GHz. The 20 dB stopband fractional bandwidth is 50% and the 50 dB stopband fractional bandwidth is 30%.

D-CRLH TL; bandstop filter; wideband; high stopband rejection; patch; simulation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.01.012

TN713

A

1001-2028（2018）01-0062-04

贵州省科学技术基金计划项目（黔科合基础[2016]1108）；贵州省科学技术基金项目（黔科合LH字[2014]7048）

2017-09-19

朱晓维

雷涛（1985－），男，山西运城人，副教授，博士后，主要从事无源滤波器研究；

朱晓维（1963－），男，江苏南京人，教授，博士，主要从事无线通信系统中的射频技术研究。

（编辑：陈渝生）