专利名称：一种零阶谐振器、窄带带通滤波器及优化设计方法
技术领域：
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种微波滤波器。
背景技术：
微波滤波器在射频/微波系统(比如无线通信系统、雷达系统) 中起着非常重要的作用。现代无线通信技术的快速发展对微波滤波 器提出了越来越高的要求——性能好、尺寸小、重量轻、成本低等等。 许多传统的结构和设计方法已无法满足系统的需求，这使得许多研 究人员和工程师开始不停地探索新型的滤波器设计方法[1]
Jia-Sheng Hong, M. J. Lancaster, "Microstrip Filters for RF Microwave Application,,， John Wiley & Sons, Inc。
人工电磁材料是近年来国际物理学和电磁学发展的一个全新的 研究领域。所谓人工电磁材料是指将人造单元结构周期性排列形成 的具有特殊电磁特性的材料，目前主要包括左手结构[2]R. A.Shelby, D. R. Smith, S. Schultz, "Experimental Verification of a Negative Index ofRefraction," Sc/e"ce， vol.292, pp.77-79, 2001;电磁带隙结构[3] D. Sievenpiper， L. J. Zhang, and R. F. Jimenez Broas， et.al" "High-Impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band", IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 1999, 47, (11), pp. 2059-2074;缺陷地结构[4] D. Ahn, J. S. Kim, C. S. Kim， et.al" "A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure", IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 2001, 49, (1), pp. 86-93; 以及频率选择性表面[5] R. Pous and D. Pozar, "A frequency-selective surface using aperture-coupled microstrip patches", IEEE Trans Antennas Propagation 39 (1991)， 1763-1769等等。人工电磁材料突破
4了传统电磁场理论中的一些重要概念，其研究成果必将在许多重要 领域中有重大应用前景。
人工电磁材料为微波滤波器的设计提供了许多新的思路。比如开
口谐振环结构(Split Ring Resonators —SRRs)和互补开口谐振环结构 (CSRRs)已被成功地应用到一些微波滤波器的设计中[6] F. Falcone,
T. Lopetegi, J.D.Baena，et.al,"Effective negative-stopband microstrip lines based on complementary split ring resonators," /五五五M.crow. ,e/m C蘭戶.丄e"., vol. 14, no. 6， pp. 280-282, Jun. 2004; [7]P. Mondal， M. K. Mandal， A. Chaktabarty, et.al.， "Compact bandpass filters with wide controllable fractional bandwidth," ZE朋M/crowave awd Wre/ew Co附/ owW51丄e"e^s， vol.16, no. 10, pp.540-542, Oct. 2006; [8]C. Li, K. Y. Liu, F. Li, "Design of microstrip highpass filters with complementary split ring resonators," ￡7ec//-o"/os丄e"e/^s, vol.43, no.l,
Jan. 2007。 SRR结构最早是被用来实现左手材料，而CSRR则是SRR 的对偶结构，可以通过在接地金属平面上蚀刻出SRR结构的缝隙来 实现。文献[6]的研究表明，在微带电路中加载SRRs或CSRRs结构， 可以有效地抑制谐振频率附近的信号传播，从而设计出新型带阻滤 波器。在文献[8]中，CSRR结构被用于设计新型高通滤波器，该滤波 器具有非常陡峭的带外抑制特性。
在微波带通滤波器中，中等带宽滤波器实现起来相对容易，而 宽带和窄带滤波器则较难实现，而后两种滤波器却有其特殊的应用
发明内容
为了解决现有窄带滤波器技术较难实现的问题，本发明的目的 是利用互补开口谐振环(CSRRs)结构，设计一种新型的零阶谐振器， 该谐振器的电纳斜率参量比普通微带谐振器大很多，在此基础上， 利用这种谐振器合成新型窄带带通滤波器，为此，本发明提供一种 零阶谐振器、窄带带通滤波器及优化设计方法。
5为了实现所述的目的，本发明第一方面，提供一种零阶谐振器， 其技术方案是
在接地层中蚀刻出互补开口谐振环；
在微带信号线上蚀刻出缝隙电容；
缝隙电容位于互补开口谐振环的正上方。
根据本发明的实施例，所述互补开口谐振环的外环宽度和内环宽 度相等或不相等，外环和内环具有的不同半径分别是r。ut和^，外环 和内环的开口方向相反。
根据本发明的实施例，所述微带信号线具有一线宽。所述缝隙 电容具有一缝宽。
为了实现所述的目的，本发明第二方面，提供一种对零阶谐振 器的分析优化设计方法，其设定的目标是设计谐振频率为/o的零阶
谐振器；
歩骤1:对零阶谐振器的各个参数r。ut， rin， ^， g， g"P， /， W
给定一个初值；
步骤2:根据给定的初值对零阶谐振器结构进行布洛赫分析，得
到谐振频率为/1;
步骤3:如果/!和/。相等，则跳至步骤4，否则调整步骤l中的 参数，重新按照步骤2进行布洛赫分析，直到力和/。相等为止；
步骤4:对谐振频率f0附近的输入导纳进行计算，求出零阶谐
振器的导纳斜率参量b。
为了实现所述的目的，本发明第三方面，提供一种窄带滤波
器，包含互补开口谐振环结构，具有多个零阶谐振器；具有多个 J-转换器；多个零阶谐振器与多个J-转换器交替排列构成。
根据本发明的实施例，所述零阶谐振器包括在接地层中蚀刻出 互补开口谐振环；在微带信号线上蚀刻出缝隙电容；缝隙电容位于 互补开口谐振环的正上方。
根据本发明的实施例，所述多个J-转换器中，每个J-转换器由 一个微带交指形电容两端各连接一段负电长度传输线构成；这些负
6电长度传输线要从相邻零阶谐振器的微带信号线中扣除，扣除后的 合成信号线将微带交指形电容和缝隙电容连接起来。
根据本发明的实施例，所述的多个微带交指形电容中，不同的微 带交指形电容具有不同的交指长度和不同的交指间隙。
根据本发明的实施例，所述滤波器具有一总长度是多个零阶谐 振器与多个J-转换器的长度组成。
本发明的优点及积极效果本发明的零阶谐振器由于包含互补 开口谐振环结构，其电纳斜率参量较大。利用这种零阶谐振器实现 的滤波器可具有较窄的带宽。这种窄带滤波器在通信系统中可用于 不同信道间信号的分离；用于许多射频/微波测量仪器(频谱仪、网 络分析仪等等)的中频窄带滤波器，以获得好的频率分辨率。
图l是本发明基于互补开口谐振环结构实现零阶谐振器；
图2a是本发明布洛赫分析相移结果；
图2b是本发明布洛赫分析阻抗结果；
图3是本发明零阶谐振频率附近B值的变化特性；
图4是现有技术带通滤波器实现原理图5是本发明滤波器版图6是本发明滤波器仿真与测量结果(实线是测量结果，虚线是 仿真结果)。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的 实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1为将互补开口谐振环和微带缝隙电容组合起来实现零阶 谐振器的结构示意图，主要包括接地层l、互补开口谐振环2、微 带信号线3和缝隙电容4。具体实例说明如下
互补开口谐振环2是在接地层1上蚀刻出两个开口环形状的缝
7隙。互补开口谐振环2的外环和内环的半径分别是r。ut和 。互补开 口谐振环2的外环和内环的宽度可以相等或不等(在本实例中相等， 都是"。互补开口谐振环2的外环和内环的开口方向相反，开口宽度
相同，都是g。微带信号线3的线宽是w，缝隙电容4的缝宽是g^。
信号线1总长度是/。本实例具体设计采用如下的参数(作为示例)
r。ut=6mm， rin=5.4mm， f0.3mm， g=0.3mm， go/ =0.8mm， /=22mm， w=4.2mm。所用介质基板的介电常数2.65，厚度1.5mm。
如图2a是本发明零阶谐振器布洛赫相移分析结果示例；该图的 横坐标表示频率，单位是1(^赫兹(GHz)，纵坐标表示布洛赫相移， 单位是弧度(rad)。图2b是本发明零阶谐振器布洛赫阻抗分析结果示 例；该图的横坐标表示频率，单位是10^赫兹(GHz)，纵坐标表示布 洛赫阻抗，单位是欧姆(Ohm)。图中虚线表示为虚部，实线表示为实 部；若在频率点/i处同时满足以下两个条件
(1) ^处的布洛赫相移等于0(实部和虚部都等于O);
(2) 力处的布洛赫阻抗趋向无穷(实部或虚部很大)，则力是对应 的谐振频率。
如果与我们想要实现的谐振频率/o不相等，则需要调整(优化) 零阶谐振器尺寸并重新进行布洛赫分析直到/产/o为止。
如图4为现有技术n阶带通滤波器设计原理图。n阶带通滤波器 由n+l个J-转换器和n个零阶谐振器交替排列构成。其中转换器J(H， 力2 ，…，人,^是n+l个J-转换器。转换器4由串联电容C(H两端 各加一段电长度为0(H的传输线来实现，同样转换器/12由串联电容 d2两端各加一段电长度为^2的传输线来实现，以此类推。如果要实
现的滤波器的相对带宽为『，则存在如下的关系 縱=^^,緣=^>,,,+1,"=1,"陽1),
Go
其中，& (i=0，l，…，n)是低通原型参数，(i-0,l,…，n)为对
8应转换器的J值，G Q和G"分别是输入和输出端口的负载导纳，6 为谐振器的导纳斜率参量。另外，根据导纳倒置转换器值^+,可计算 出串联电容值Ci,w和传输线电长度^，i+,，具体算法见公式(2):
乂',/+1、 /ri z,川、2"i , , _1 ,v + i
' (2)
2《/ y0 &
由(l)式可以看出当取适中(容易实现)的J值时，6和『成反比， 因此窄带滤波器(『小)易于用6值大的谐振器来实现。
互补开口谐振环的特殊性质使得图1所示的零阶谐振器具有很 大的导纳斜率参量，从而非常适用于设计窄带带通滤波器。
实施方案
假设本具体实例要实现的滤波器中心频率为/『1.98GHz，相对 带宽为2.4%。
步骤一在图1中采用如下参数r。u产6mm，r^5.4mm， f0.3mm， g=0.3mm， gop=0.8mm， /=22mm， w=4.2mm ，作为净ZK直。利用商业 软件Ansoft Designer对图1所示的两端口网络进行电磁仿真，获得 其S参数。根据S参数计算出结构的布洛赫阻抗Zb和布洛赫相移&， 具体公式如下
i 一 5 ' + r
cos( -5)=
'11 ' "i
(i-&)2-《 w
其中5 、 &1是两端口网络8参数。如图2a为利用公式(2)计算得到 的布洛赫相移，如图2b为利用公式(2)计算得到的布洛赫阻抗。从图 2可看出在力=1.98 GHz处，^=0， zb很大(趋向无穷)，该频率即 为零阶谐振频率。/i与我们想要设计的零阶谐振器的谐振频率Zo(也即 滤波器中心频率) 一致，因此，满足要求，不需要调整谐振器参数。 如果则需要调整参数并重新进行布洛赫分析直到两者相等为 止。
9200710304262.7
步骤二将图1所示结构的一个端口开路，通过商业软件Ansoft Designer仿真获得另一端口的输入导纳1^叫B。如图3给出了零阶谐 振频率附近S值的变化特性。横坐标表示频率，单位是10、赫兹(GHz)， 纵坐标表示输入导纳，单位是西门子(sismen)。零阶谐振器的导纳斜 率参量6可由公式(4)计算。
对于图1结构计算得到6=0.1079西门子。对于传统的半波长谐
振器，其导纳斜率参量6e^/2/Zc，其中Ze是传输线特性阻抗。对于
典型值Z^50Ohm，相应的6f0.0314西门子。可见本发明设计的零 阶谐振器比传统半波长谐振器的导纳斜率参量大很多，适合于设计 窄带滤波器。
步骤三根据所需要的滤波器的带外抑制特性确定出相应的滤 波器阶数11和低通原型参数&(1=0,1,...,11+1)。根据公式(1)计算出相应
的导纳倒置转换器值^+i(iK)，l,…，n)。再根据公式(2)计算出串联电 容值Ci,w(i-0，l,…，n)和传输线电长度Ai+,^0，l,…，n)。
步骤四用微带交指形电容5实现相应的电容值Cu+1。具有负 电长度<1+1的传输线要从相邻零阶谐振器的微带信号线3中扣除。将 设计好的导纳倒置转换器和零阶谐振器交替连接可以获得滤波器的 原始结构，进一步通过软件优化可获得最终结构。
如图5为本发明优化设计得到的2阶滤波器版图，主要包括接 地层l、互补开口谐振环2、缝隙电容4和三个微带交指形电容5， 零阶谐振器中的微带信号线3扣除相邻J-转换器中的负电长度传输 线后剩余的为合成信号线6。其中接地层l、互补开口谐振环2位于 电路板的背面，缝隙电容4、三个微带交指形电容5、合成信号线6 位于电路板的正面。缝隙电容4的中心与互补开口谐振环2的中心 重合(缝隙电容4位于互补开口谐振环2的正上方)。合成信号线6将 缝隙电容4和微带交指形电容5连接起来。图5中标注的r。ut,， r,n， s， g， gc^， w等参量与图1中的含义相同。图5中两边两个微带交
10指形电容5相同，它们的交指长度为/p交指之间的间隙为^。中间 这个微带交指形电容5的交指长度为/2，交指之间的间隙为g2。 /为 滤波器的总长度(不包括馈线)。本发明设计得到的最终参数如下(作
为不例)/产5mm， g产0.2mm， /2=0.66mm， g2=0.2mm， /=43.5mm。
如图6为本发明设计的滤波器的仿真和测量结果。横坐标表示频 率，单位是10、赫兹(GHz)，纵坐标表示S参数，单位是分贝(dB)。 测量得到中心频率1.93GHz，相对带宽2.4%，带内插损2.6dB。滤波 器总长度是43.5mm。若采用同样的基板(介电常数2.65，厚度1.5mm)， 微带传输线在1.93GHz的波长-95mm，因此传统的2阶半波长谐振 器电容耦合滤波器的长度"5mm。相比之下，本发明中的新型滤波 器结构更加紧凑。另外，若采用性能更好的微波介质基板(比如Rogers) 并将滤波器置于屏蔽盒中，可以减小欧姆损耗和辐射损耗，从而降 低滤波器的带内插损。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围 内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
权利要求
1、一种零阶谐振器，其特征在于在接地层(1)中蚀刻出互补开口谐振环(2)；在微带信号线(3)上蚀刻出缝隙电容(4)；缝隙电容(4)位于互补开口谐振环(2)的正上方。
2、 根据权利要求1所述的零阶谐振器，其特征在于所述互补 开口谐振环(2)的外环宽度和内环宽度相等或不相等，外环和内环具 有的不同半径分别是r,和rin，外环和内环的开口方向相反。
3、 根据权利要求l所述的零阶谐振器，其特征在于所述微带信号线(3)具有一线宽(W。
4、 根据权利要求l所述的零阶谐振器，其特征在于所述缝隙 电容(4)具有一缝宽^ga;^ 。
5、 一种对零阶谐振器的分析优化设计方法，其特征在于 设定的目标是设计谐振频率为/。的零阶谐振器；步骤 1:对零阶谐振器的各个参数r。ut， rin， & g， g印，/， W 给定一个初值；步骤2:根据给定的初值对零阶谐振器结构进行布洛赫分析，得 到谐振频率为/1;步骤3:如果/!和/。相等，则跳至步骤4，否则调整步骤l中的 参数，重新按照步骤2进行布洛赫分析，直到/l和/。相等为止；步骤4:对谐振频率f0附近的输入导纳进行计算，求出零阶谐 振器的导纳斜率参量b。
6、 一种窄带滤波器，包含互补开口谐振环结构，其特征在于 具有多个零阶谐振器；具有多个J-转换器； 多个零阶谐振器与多个J-转换器交替排列构成。
7、 根据权利要求6所述窄带滤波器，其特征在于所述零阶谐 振器包括在接地层(1)中蚀刻出互补开口谐振环(2);在微带信号线(3)上蚀刻出缝隙电容(4); 缝隙电容(4)位于互补开口谐振环(2)的正上方。
8、 根据权利要求6所述窄带滤波器，其特征在于所述多个J-转换器中，每个J-转换器由一个微带交指形电容(5)两端各连接一段 负电长度传输线构成；这些负电长度传输线要从相邻零阶谐振器的 微带信号线(3)中扣除，扣除后的合成信号线(6)将微带交指形电容(5) 和缝隙电容(4)连接起来。
9、 根据权利要求6所述窄带滤波器，其特征在于所述的多个 微带交指形电容(5)中，不同的微带交指形电容具有不同的交指长度 和不同的交指间隙。
10、 根据权利要求6所述窄带滤波器，其特征在于所述滤波 器具有一总长度是多个零阶谐振器与多个J-转换器的长度组成。
全文摘要
一种零阶谐振器在接地层中蚀刻出互补开口谐振环；在微带信号线上蚀刻出缝隙电容；缝隙电容位于互补开口谐振环的正上方。方法对零阶谐振器的各个参数给定一个初值；初值对零阶谐振器进行布洛赫分析得到谐振频率f<sub>1</sub>；调整参数直到f<sub>1</sub>和f<sub>0</sub>相等为止；对谐振频率f<sub>0</sub>附近的输入导纳计算，求出零阶谐振器的导纳斜率参量。窄带滤波器有互补开口谐振环，具有多个零阶谐振器与多个J-转换器交替排列构成。本发明的零阶谐振器采用互补开口谐振环使其其电纳斜率参量大，利用零阶谐振器实现的滤波器可具有较窄的带宽。窄带滤波器在通信系统中可用于不同信道间信号的分离；用于许多射频/微波测量仪器的中频窄带滤波器，以获得好的频率分辨率。
文档编号H01P7/00GK101471479SQ20071030426
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者芳 李, 超 李 申请人:中国科学院电子学研究所