一種基于CSRR結構的帶阻濾波器設計

魯 帆，魏良桂

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著現代無線通信技術的發展，各種頻段的微波系統層出不窮，微波頻帶日益擁擠，對于微波濾波器的要求越來越高。作為微波濾波器中的重要一員，帶阻濾波器在通信系統中起著十分重要的作用。例如在面對復雜電磁環境時，寬帶微波接收機通常使用帶阻濾波器濾除某個特定窄帶范圍內的外界信號；在發射系統中，為抑制非線性功放的諧波及雜波頻譜等，采用帶阻濾波器要比采用帶通濾波器更加靈活有效[1]。

傳統帶阻濾波器的結構一般是由1/4波長短截線諧振器，沿傳輸線排列，由于諧振器需間隔1/4波長的奇數倍，所以濾波器尺寸通常較大[2]?；パa開口環諧振器(CSRR)作為一種亞波長諧振器，越來越多地應用到濾波器小型化設計當中。文獻[3]將不同尺寸的CSRR加載于基片集成波導，設計出雙頻基片集成波導(SIW)濾波器；文獻[4]將類CSRR結構蝕刻于濾波器兩端的50 Ω匹配微帶線內，用于優化濾波器的帶外抑制度。

CSRR是由開口環諧振器(SRR)演化而來。1999年Pendry 率先提出了SRR的概念。常用結構為2個相互耦合的圓或者方形的同心金屬環，2個環在對稱位置開了間隙。而CSRR作為SRR的互補結構，將SRR電路中的金屬結構替換為介質間隙，將介質間隙替換為金屬結構。兩者對比如圖1所示。

圖1 SRR(左)與CSRR(右)結構對比圖

1 濾波器結構

CSRR的電磁場與 SRR 的電磁場呈對偶關系，因此理論上，相同尺寸的CSRR具有與SRR相同的諧振頻率[5]。實際工程中，由于導體及介質層的厚度影響及損耗，兩者的諧振頻率會有微小的偏差。CSRR的等效電路如圖2所示，其中Cs為環間的耦合電容，Ls為圓環的等效電感。

圖2 CSRR等效電路圖

可以看出，當交變磁場從開口環中心穿過時，兩者產生諧振，其諧振頻率為：

(1)

諧振器在電磁場的作用下產生感應電流阻礙原磁場，從而在諧振頻率處產生阻帶。

基于上述原理，可以利用CSRR結構的帶阻效應來構建帶阻濾波器。針對此濾波特性，本文采用微帶電路拓撲展開設計研究，其電路結構如圖3所示?？梢钥闯觯橘|基板的正面電路為銅導帶線，反面電路為接地金屬層內蝕刻CSRR諧振結構。從圖3可以看出，濾波器采用3個不同大小的CSRR來構成阻帶，3個CSRR環各自產生一個傳輸零點，為降低不同諧振環之間的耦合效應，且考慮到在等周長的情況下，矩形與傳統圓形CSRR諧振結構性能特性相近[6]，本設計采用矩形CSRR諧振環,可在保證電性能的前提下，進一步減小體積。

圖3 濾波器電路結構

2 模擬仿真

由于構成阻帶的3個CSRR尺寸不同，在濾波器設計時，除需考慮3個傳輸零點的頻率，還應當考慮CSRR之間的相互影響，因此，適當選擇環間距尺寸是設計關鍵。

2.1 CSRR外環尺寸對諧振頻率的影響

規避多環CSRR濾波結構間影響，本文首先從單個CSRR諧振結構出發，研究其帶阻特性。文獻[7]提到，單個CSRR的等效電路可近似等效成如圖4所示的結構。

圖4 等效電路模型

圖4中，L為微帶線的等效電感，電感Ls和電容Cs組成CSRR結構的等效諧振電路，C為CSRR與微帶線之間的耦合電容。根據公式(1)，可以得出諧振頻率為：

(2)

由式(2)可知，電路的等效電容越大，諧振頻率越低；反之，則諧振頻率越高。對于圖3的CSRR結構，開口環的尺寸越大，其等效電容越大。因此，可以通過改變外環矩形的長度和寬度來調節諧振頻率。分別設置開口環的長度為4 mm、4.5 mm、4.8 mm，其余參數不變。仿真曲線如圖5所示，可以看出濾波器的傳輸零點分別對應為8.64 GHz、7.99 GHz、7.47 GHz。

圖5 傳輸特性隨外環尺寸的變化規律

2.2 CSRR內外環間距對諧振頻率的影響

由2.1的結論，可以很容易就得出，通過改變CSRR結構內外環的間距，也同樣可以在一定范圍內改變電路等效電感，從而達到改變諧振頻率的目的。內外環的間距越近，電路的等效電感就越大，從而會使諧振頻率向低頻偏移；反之，則向高頻偏移。

如圖6所示，設置開口環的內外環間距分別為0.15 mm、0.25 mm、0.3 mm，其余參數不變，則濾波器的傳輸零點分別對應為7.64 GHz、8.39 GHz、8.75 GHz。

圖6 傳輸特性隨間隙尺寸的變化規律

2.3 CSRR單元間距對濾波器性能的影響

基于上述單CSRR結構，保持濾波器的其它尺寸參數不變，改變3個不同CSRR單元之間的距離，優化相鄰CSRR單元間的互耦效應，進而改善濾波器阻帶的頻率特性。如圖7所示，隨著間距的增加，相鄰CSRR單元間的互耦減小，3個CSRR結構的濾波器的帶阻特性越接近單個CSRR疊加的效果。

圖7 傳輸特性隨CSRR單元間距的變化規律

3 仿真結果

基于2.1～2.3節的研究內容，設置濾波器參數的初始值，如圖8所示。

圖8 濾波器參數設置

調整不同參數值，經HFSS仿真優化，仿真結果如圖9所示。

圖9 濾波器曲線

可以看出，濾波器的阻帶頻率位于8 GHz附近，3 dB帶寬約為58 MHz，在中心頻率±10 MHz范圍內阻帶抑制度約為-30 dB，滿足實際應用指標需求。

4 結束語

本文提出一種利用CSRR結構的帶阻濾波器設計方法，論文從理論到仿真，逐個分析CSRR結構中不同參數對于濾波器阻帶性能的影響。本設計巧妙地將CSRR結構蝕刻于微帶基板電路背面接地金屬層上，在不額外增加電路尺寸的前提下，利用矩形CSRR結構替代傳統圓形結構，提高阻帶濾波性能。本設計仿真結果可為實物研制提供很好的參考價值。實際濾波性能待下一步實物測試驗證。