基于单个CSRR CRLH结构的双频带通滤波器*

卞耀冬， 王伟,2， 尹镕基， 姚斌,2， 辛志慧,2

(1.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500；2.云南省光电信息技术重点实验室,云南 昆明 650500)

无线通信系统向多频带、集约化的发展对射频滤波器的多频段和小型化提出了更高的要求，传统滤波器只能筛选一个频段，需添加多个滤波器实现筛选多个频带，这会使射频前端的尺寸增加，双频带滤波器的出现解决了这一问题.目前，设计双频带通滤波器的方法一是利用半波长型阶梯阻抗谐振器(SIR)的谐振特性来设计来产生双频带[1-2]，此类滤波器两通带的中心频率可通过阻抗比来调节，但带宽难以调节；二是利用多个多模谐振器并联于同入同出的馈电端口[3-4]，但此类滤波器的尺寸过大，不能满足现今5G通信小型化的要求.有学者提出利用互补开口谐振环(CSRR)的复合左右手(CRLH)结构设计滤波器，但单个CSRR CRLH单元谐振器只有一个谐振点的出现[5]，若要实现双频带通滤波，需要将两个CSRR CRLH谐振单元级联[6-8]，这种方式虽然实现了双频带的特性，但增加了滤波器的尺寸.

本文通过增加开路枝节线[9]，引入新的传输零点，将基于单个CSRR CRLH谐振单元的单频带带通滤波器分裂为双频带带通滤波器，并将开路枝节线弯曲[10]以进一步缩小滤波器的尺寸，同时对该双频带带通滤波器进行了电磁场分析.

1 CSRR CRLH结构特性分析

1.1 CSRR CRLH单元结构

图1为方形CSRR CRLH结构示意图，图中青色部分为接地面，白色部分为接地面下表面的刻蚀结构，由于其负介电常数的特性而形成阻带，缺陷地结构由两个开口的正方形构成.开口大小分别为g1=0.8 mm,g2=0.5 mm，外环和内环的宽度W1均为0.5 mm.黄色部分为介质层上表面的50 Ω微带线.在50 Ω微带线上留有缝隙形成串联电容，这样原有的阻带变为通带.

通过三维电磁仿真软件HFSS建模CSRR CRLH单元结构，选用厚度为0.508 mm的Rogers Ro4350板材，相对介电常数为3.66.由图2仿真S参数可知，CSRR CRLH单元结构具有明显的带通滤波特性，且在谐振点具有较小的回波损耗S11，小于-30 dB，插入损耗S21接近于0 dB；但CSRR CRLH单元结构阻带抑制不强，并且只有单通带的功能，无法满足多频带射频前端的要求.为了将该结构用于设计多频带通滤波器，需要引入传输零点[11]使得滤波器具有较强的阻带抑制能力和双频带的功能.

图1 CSRR CRLH 单元结构

图2 CSRR CRLH单元仿真S参数结果

1.2 CSRR CRLH传输特性与各参数的关系

为研究CSRR CRLH单元结构的传输特性与各参数的关系，采用上述板材进行三维电磁仿真.开口谐振环的外环长度、外环与内环的距离、微带线之间的间距等均会对传输特性产生影响，结果如图3所示.图3(a)给出了外环长度X2分别为8、10 mm和12 mm时的S21仿真结果，此时内环长度X1、外内环开口g1和g2以及微带线间隙d保持不变.结果表明：随着外环长度X2的变大，带通滤波器的中心频率向左移.图3(b)给出了微带线间隙d分别为2、4 mm和6 mm时的S21仿真结果，此时内外环长度X1和X2以及外内环开口g1和g2保持不变.结果表明：随着微带线之间的间隙d变大，带通滤波器的中心频率向左移，带宽在逐渐增大.根据上述分析可调整CSRR CRLH结构参数来改变通带的频段范围以满足设计需求.

图3 CSRR CRLH单元传输特性与各参数的关系

2 基于CSRR CRLH双频带通滤波器

2.1 滤波器结构

提出的双频带通滤波器结构如图4所示，仅采用一个CSRR CRLH结构设计，其接地面下表面刻蚀图形为方形结构的CSRR开口谐振环，中间是介质基板，表面由50 Ω微带线与开路枝节线组成.通过在输入、输出50 Ω微带线之间添加开路枝节线引入新的传输零点实现双频带特性，并将开路枝节线弯曲以缩减整个滤波器的尺寸.

(a)俯视图 (b)仰视图

2.2 滤波器结构参数对滤波器性能影响

双频带通滤波器采用Rogers Ro4350介质基板，其厚度为0.508 mm，顶层金属层厚度为35 μm.该滤波器的主要结构参数有：开路线L2和L3的长度，微带线之间的间隙d，矩形CSRR外环X2的长度，内环X1的长度.通过计算及分析得到滤波器的初始值为[12]：L2=15 mm、L3=16 mm、d=1 mm、X2=10 mm、X1=5 mm.在此基础上，对影响滤波器性能的主要参数进行仿真分析,以便优化滤波器结构的尺寸.

图5 结构参数对滤波器性能的影响

开路线变化对滤波器的传输特性影响如图5(a)所示.随着开路线L2、L3的增大，通带内引入一个新的传输零点，由单通带变为双通带，并且两个通带的带宽在逐渐变小，阻带抑制效果逐渐增强.

d变化对通带的影响如图5(b)所示.随着d增大，两个通带中心频率均向右平移，但第二通带中心频率右移更快；同时，第一通带带宽逐渐增大，而第二通带带宽相对减小.

X2变化对通带的影响如图5(c)所示.随着X2增大，第一通带的中心频率向左移，带宽逐渐增大，而第二通带基本保持不变.

X1变化对通带的影响如图5(d)所示.随着X1增大，第一通带基本保持不变，但第二通带中心频率逐渐向左移，带宽逐渐增大.

3 实物测试与分析

经过多次的优化仿真最终确定滤波器的具体尺寸如表1所示.该滤波器尺寸为0.2 λg×0.2 λg，对所设计的滤波器进行实物制作，实际尺寸为3 cm×3 cm.

表1 双频带通滤波器的尺寸

图6 滤波器S参数实测与仿真结果

采用罗德与施瓦茨ZNB20矢量网络分析仪对滤波器进行测试.图6比较了实物测试结果与仿真结果，可以看出：滤波器第一通带和第二通带的中心频率和插入损耗分别为1.9 GHz/1.7 dB和2.9 GHz/2.8 dB，在DC-1.05 GHz、2.20-2.50 GHz和3.45-4.00 GHz阻带范围内的带外抑制优于20 dB，实现了双频带通特性.相比仿真结果，测试的插入损耗比仿真结果分别增大了1.0 dB和1.9 dB,第二通带的中心频率比仿真结果向左偏移0.1 GHz，这主要是由SMA接头与微带线转接引入损耗造成，其次是板材加工精度有限导致.

表2 滤波器性能对比

该滤波器与其他文献双频带滤波器的性能比较如表2所示.通过对比，本文所设计的双频带滤波器在取得较好滤波性能的同时还具有小型化的优势.

4 滤波器的场分布

为了分析该滤波器的工作原理，对该结构两个通带中心频率点及中间阻带最低点的电场分布进行了仿真分析.图7分别给出了对应上述滤波器第一频带中心频率点1.9 GHz、中间阻带最低频率点2.4 GHz和第二频带中心频率点3 GHz的电场分布.由图7可见，第一频带主要由开路枝节线的下方和外环之间强电场耦合产生，第二频带主要由开路枝节线上方和内环之间强电场耦合产生，而在中间阻带，开路枝节线与外环和内环均没有明显的强电场耦合.

(a)1.9 GHz电场 (b)2.4 GHz电场 (c)3 GHz电场

5 结语

仅采用一个基于CSRR的CRLH结构，通过在接地面下表面刻蚀CSRR结构，并与上层50 Ω微带线和开路枝节线产生电容耦合，引入新的传输零点，实现了双频带通滤波器的设计.理论分析结合仿真得到了CSRR CRLH结构的谐振特性，研究了结构参数对双频带滤波器的影响，实现对第一通带和第二通带中心频率点和带宽的调节.从场分布的角度分析了滤波器的工作机理.滤波器实测结果与仿真结果基本一致，证实了滤波器的可行性.该滤波器具有小型化、高选择性的特性，可用于5G N2波段，具有良好的应用价值.