基于左手材料十字交叉耦合型UWB濾波器的設計

李順利,曾文波

(廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006)

基于左手材料十字交叉耦合型UWB濾波器的設計

李順利,曾文波*

(廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006)

介紹了左手材料概念及其電磁特性，利用左右手傳輸線的基本理論，在厚度為0.8 mm的微帶介質基板的正反兩面分別腐刻出不同形狀，組成相互耦合的十字交叉型結構.利用HFSS仿真軟件.設計一款介電常數為2.55的基于左手材料十字交叉耦合型超寬帶(UWB)濾波器，并研究了不同參數對濾波器性能的影響.通過對UWB濾波器參數的優化，最終得到該濾波器的通帶范圍為3.1 GHz～10.6 GHz，通帶內插入損耗小于0.49 dB，尺寸為7.2 mm×15.8 mm，實現了基于左手材料十字交叉耦合型UWB濾波器結構簡單、高增益、小型化的設計.

左手材料;十字交叉耦合;超寬帶濾波器;插入損耗

0 引言

左手材料是由電磁波傳播過程中電場E、磁場H以及波矢量K滿足左手定則而得名.左手材料是一種理論上不違反物理學定律，但在自然界中并不直接存在的一種超介質材料，目前只能通過人工合成［1］.由于其介電常數ε和磁導率μ都為負值;因此，左手材料又被稱為雙負介質或超材料.左手材料還具有負折射現象、完美透鏡、逆聚焦/發散現象、逆切倫科夫輻射效應、逆多普勒效應，以及逆古斯-漢辛位移等奇異物理現象［2］.英國皇家學院Pendry等［3］提出了用周期性排列的細金屬棒陣列和金屬諧振環組成人造媒質，分別產生等效負介電常數ε和負磁導率μ.文獻［4］使用一種變型的SRR結構提出了一種新穎的貼片結構，它體現出的左手特性并不是由組成部分的基礎物理特征所決定，而是由開口諧振環特殊的圖形形狀和位置分布決定，并且研究了DSRR結構的電容和電感對貼片器件性能的影響.文獻［5］利用超材料的概念，通過在貼片上蝕刻條形縫隙圖案，通過引入反射器和引向器的設計思想，增強了貼片器件的定向性［1］;因此，目前可以實現左手特性的方法可以分為兩大類:第一類是基于Pendry模型對金屬棒和諧振環結構的改進和衍生;第二類則是利用左右手傳輸線(CRLH)結構，以此可以產生低通、高通或帶通等各種濾波器的功能［6］.本文僅采用第二類方法來構造十字交叉耦合型濾波器.

1 基本原理

基于Pendry模型金屬棒和諧振環結構的左手材料，由于其工作帶寬較窄和插入損耗較高等缺點，限制了這種結構在微波器件、濾波器等方面的應用.利用交叉互補型十字裂縫結構構造左右手傳輸線，并從傳輸線理論角度構造LC串并聯電路結構實現左右手特性.

自然界不存在理想的左右手傳輸線，但是等效均勻的左右手傳輸線可以通過梯形LC網絡電路結構來實現［3］.由于左手傳輸線存在高通特性并呈現一個禁帶，右手傳輸線存在低高通特性并呈現一個禁帶;因此，通過左右手材料的完美匹配，可實現帶通濾波器的功能.左右手傳輸線等效電路的基本單元模型，如圖1所示.

圖1所示的單元模型只是表示左右手傳輸線中ΔZ長的一小段，真正的傳輸線是由N個類似的單元構成的.左右手傳輸線模型的中心頻率為:

圖1 左右手傳輸線等效電路單元模型圖Fig.1Circuit model of CRLH TL unit cell

單元模型電路的阻抗為:

相位差為:

2 十字交叉耦合型濾波器設計與仿真

基于左右手傳輸線理論，提出了一種基于左手材料的十字交叉耦合型濾波器結構.該結構材料為相對介電常數εr=2.55，介質損耗角正切tan δ=0.001 9，厚度為0.8 mm.它由共面波導區段的金屬板以及另一側的一對高阻抗彎曲線組成.共面波導的信號線由地面分割并與經由一對高阻抗彎曲線連接到地面的金屬板平行［7］.其設計如圖(2)、圖(3)所示的十字交叉耦合型濾波器.

圖2 十字交叉耦合型濾波器正面及側面圖Fig.2The top and the side view of UWB cross-coupled filter

圖3 十字交叉耦合型濾波器背面圖Fig.3The bottom view of UWB cross-coupled filter

該十字交叉耦合型濾波器的尺寸為7.2 mm×15.8 mm，其他參數為W1=3 mm，W2=0.87 mm，H2=2 mm，d1=1mm，h1=2mm，h=0.8mm，H=3.5mm，h2=5.56mm，H3=0.66mm，d=0.22mm，W=0.16mm，H4=2.84 mm，h3=7.39 mm.

在十字交叉耦合型濾波器中由面對面的耦合提供了CRLH系列電容C，同時一對高阻抗彎曲線產生了CRLH系列的并聯電感L.根據求解中心頻率公式，使用HFSS微波仿真軟件對所設計的濾波器進行優化.由公式可知，對濾波器性能產生主要影響的幾個參數是濾波器間距W1、濾波器寬度W、彎曲線的長度h2以及縫隙缺口寬度h.

3 濾波器參數優化與分析

利用HFSS10軟件進行仿真，并利用插入損耗S21的值對濾波器進行優化.在其他參數保持不變的情況下，僅僅改變W1，W，h1和h2中的一個數值.依次令W1大小取值為2.1 mm，2.5 mm，3 mm，3.5 mm;W依次取值為0.16 mm，0.36 mm，0.70 mm;h2大小依次取值為4 mm，6 mm，7 mm;h大小依次取值為0.8 mm，1.0 mm，2.0 mm，2.5 mm，3.0 mm，使用HFSS仿真可得到插入損耗曲線S21，如圖4～圖7所示.

圖4 參數W1對S21的影響曲線圖Fig.4 The effect of W1on the S21

圖5 參數W對S21的影響曲線圖Fig.5 The effect of W on the S21

圖6 參數h2對S21的影響曲線圖Fig.6 The effect of h2on the S21

圖7 參數h對S21的影響曲線圖Fig.7 The eccect of h on the S21

從上圖可以看出，隨著W1，W和h2不斷變化，濾波器的通帶范圍不斷變化，但都會出現先增后減的趨勢，根據超寬帶的定義，通帶最高頻率應小于10.6 GHz;因此，選取W1=3.0 mm，W=0.16 mm，h2=6 mm，h1的變化影響是在通帶范圍一定時濾波器增益的大小.隨著h1的增加，濾波器的性能在逐漸增強，但當縫隙缺口寬度大于2 mm時，插入損耗值卻隨著h1的增大逐漸減小;因此，選取h1=2 mm.參數能夠影響濾波器性能的原因是濾波器間距的改變影響了濾波器相互耦合的效率，從而影響電容;h2能夠影響濾波器性能的原因是濾波器彎曲寬度的改變影響了濾波器高阻抗值，從而影響電感.電容和電感的變化影響著濾波器帶寬的范圍，而縫隙切割技術可以改變濾波器的增益［8］.

對濾波器的參數進行優化后，可以得到基于左手材料的十字交叉耦合UWB濾波器的回波損耗曲線S11、插入損耗曲線S21，如圖8所示.可見在3.10 GHz～10.6 GHz的超寬帶通帶范圍內，該濾波器的插入損耗小于0.49 dB，回波損耗小于-10 dB，較好的滿足了UWB通信要求.

圖8 十字交叉耦合濾波器的S曲線圖Fig.8The S-curve of the cross-coupling

4 結論

基于復合左右手傳輸線理論，設計了一款基于左手材料的十字交叉耦合型超寬帶(UWB)濾波器，得到的該濾波器通帶較寬，通帶內插入損耗和回波損耗都比較理想，使得濾波器增益接近于1，諧振點處回波損耗值達到-58.66 dB.利用左手材料的相位補償特性，突破了傳統濾波器的半波長限制，得到的濾波器大小為7.2 mm×15.8 mm×0.8 mm，結構緊湊，尺寸較小，較好的滿足了超寬帶無線通信要求.UWB濾波器作為一款新型的微波器件，應用在無線通信射頻前端，并結合左手材料的理論，使其具有極寬的通帶帶寬，可實現數據高速傳輸，具有廣闊的發展和應用前景.

［1］黃麗玉.復合左右手傳輸線設計及其應用［D］.北京:北京郵電大學，2014.

［2］崔萬照，胡天存，張娜，等.復合左/右手傳輸線理論及其應用［M］.北京:國防工業出版社，2011.

［3］曾文波，趙嘉.左手材料及在微帶天線中的應用［J］.廣西工學院學報，2009，20(3):30-35.

［4］鄭祥來.左手材料天線的研究與設計［D］.北京:北京理工大學，2015.

［5］郭蓉，曹祥玉，袁子東，等.一種新型寬帶定向性貼片天線設計［J］.物理學報，2014，63(24):244102(共6頁).

［6］易強.左手材料的設計及其在超寬帶系統中的應用［D］.江西:江西師范大學，2014.

［7］HUANG J Q，CHU Q X.Compact Uwb Band-pass Filter Utilizing Mod-ified Composite Right/Left-handed Structure with Cross Coupling［J］.Progress In Electromagnetics Research，2010，107(8):179-186.

［8］曾文波，趙嘉.PBG結構方形切角微帶天線的設計［J］.廣西工學院學報，2007，37(4):57-59.

Design of UWB cross-coupled filter based on LHM

LI Shun-li，ZENG Wen-bo*
(School of Electrical and Information Engineering，Guangxi University of Science and Technology，LiuZhou 545006，China)

A new type of ultra-wideband(UWB)filter has been designed in this paper.Based on the concept of left-handed material(LHM)，the filter has negative permittivity and permeability.The substrate is with a thickness of 0.8 mm and a relative dielectric constant of 2.55.By etching a cross-coupled structure on the surface of the substrate，a frequency pass-band from 3.1-10.6 GHz，which meets the requirement of UWB applications，is achieved.Thus，an UWB filte with high selectivity is developed using only one unit cell，which leads to low insertion loss(less than 0.49 dB)and compact size(7.2 mm×15.8 mm).By HFSS software simulation and testing several different parameters influence on filter performance，resulting filter has superior impedance characteristics.The design of a cross-coupled LHM UWB filter with simple structure，high gain，and miniaturization was achieved.

LHM;Cross-Coupled;UWB Filter;insertion loss

TN82

A

2095-7335(2016)02-0052-04

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.009

(學科編輯:李捷)

2015-12-17

廣西自然科學基金項目(2015GXNSFAA139289)資助.

*通信作者:曾文波，教授，碩士生導師，研究方向:平面天線，E-mail:abc90175@163.com.