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体积 2020. |文章ID. 5654727 | 6. 页面 | https://doi.org/10.1155/2020/5654727

使用双负Quasiplanar细胞的新型超自联窄带通道微带滤波器

穆罕默德雷扎坎瓦里那1 Vahid Nayyeri那1那2 赛义德·穆罕默德Hashemi那3. 和 穆罕默德·索伊曼1

1伊朗德黑兰科技大学天线和微波研究实验室

2伊朗德黑兰先进技术学院，伊朗德黑兰

3.Shahid Rajaee老师培训大学电气工程学院，德黑兰，伊朗

学术编辑器:默罕默德拉姆雷Kamarudin
收到了 2019年4月24日
修改 2020年1月25日
公认 2020年3月06日
发表 07 4月2020年

抽象的

本文提出了一种具有高选择性的新型超自联窄带通滤波器。所提出的过滤器由级联两个基本细胞组成。每个电池基本上是装有Quasiplanar谐振器和串联间隙的微带线，其可以使用标准多层印刷电路板技术制造。通过等效电路和全波模拟分析结构。将仿真结果与实验测量进行比较，证明它们之间的良好一致性。测量表明，1 GHz的中心频率下的实现带通滤波器的分数带宽为2.2％。最重要的是，与其他类似的最近作品相比，显示所提出的滤波器具有最小尺寸。

1.介绍

设计与印刷电路板（PCB）兼容的非常紧凑的微波器件和单片微波集成电路制造技术在过去几十年中取得了很大的兴趣。诸如分流环谐振器（SRRS）的电小平面谐振器及其对应物，即互补分体环谐振器（CSRRS）是提出新设计策略的关键方面，以小型化平面微波电路[1］．在微带线的情况下，SRRS在条带线旁边被图案化，如图所示1（a），而CSRRS，如图所示1（b），在地面平面上蚀刻。通常，对于SRR或CSRR的任意取向，有必要考虑主线和谐振器之间的电气和磁耦合[2］．然而，当环形狭缝在正交方向上与线轴（如图中一样）1（a）和1（b）），SRR和CSRR磁性和电气地耦合到主线，即，它们通过磁场和平行于环的轴线的电场来源的[2］．参考作者[] [3.[表明，可以通过在具有适当拓扑连接的介电层的两侧的两侧将两个金属水平组合，设计新的谐振器（例如宽侧耦合的螺旋谐振器（BC-SRS）），通过将介电层的两侧的两个金属水平组合具有适当的拓扑（见图1（c））。这些小型化的谐振器可以通过微带线产生的磁场有效地激发。为此目的，必须在微带线的接地平面中打开窗户以蚀刻谐振器的下侧。然而，应该注意的是，缺陷的地面结构可以导致一些电磁兼容性（EMC）问题。最近，Hashemi等。[4.]，建议在信号带和地平面之间放置一种bc - sr的外消旋混合物(左旋和右旋内含物数量相等)(见图)1（d））。谐振器以微带线和接地平面之间的电场导致其激发的方式定向。这种配置的优点是（1）微带线和谐振器之间存在强大的耦合。（2）将接地平面保留免于缺陷，这阻止了EMC问题。

（一种）
（一种）
（b）
（b）
（C）
（C）
（d）
（d）
图1
采用小型化平面微波电路设计的不同亚波长平面谐振器：（A）SRRS，（B）CSRRS，（C）磁耦合到线的BC-SRS，（D）电耦合到的BC-SRS。一条线。

电小的平面谐振器，包括SRR和CSRR，已用于几种类型的滤波器的设计，如低通滤波器[5.那6.带通滤波器（BPF）[7.-13.］．在现代微波系统中越来越多地要求具有尖锐选择性和高拒绝的窄BPF。小型化此类过滤器，SRRS [11.-13.]，CSRRS [10.]，复合右/左手共面波导（CRLH-CPW）谐振器[14.[多分离阶梯式阻抗（Si）谐振器[15.]电磁带隙（EBG）谐振器[16.]和电容加载的耦合线[17.]已被应用。在这项工作中，理论上并通过简单的设计和实验研究了一种新的窄BPF，使用电耦合到线的BC-SRS的简单设计和更高水平的小型化。提出了等效电路模拟，全波模拟和实验测量结果。应该指出的是，从这个原创作品复制的纸张以前出版了;但是，它最近被期刊撤回了[18.］．

2.滤波器拓扑结构

figure2（a）显示概念上提出的双负（DNG）单元的拓扑结构[4.由装载有串联间隙的微带线和电耦合到线的BC-Sr（BC-Srs的电耦合到微带线的MICRTIP线组成，图中也在图中示出1（d））。细胞的等效电路在图中描绘2（b）．谐振器的基本磁力模式可以通过平行于环形轴施加的电气和磁场来激发。然而，证明通过外部电场通过外部电场的电小颗粒的磁性模式的激发比外部磁场的激励强大[19.］．在图中所示的结构中2（a），由微带线产生的电场沿着BC-SR环的轴线，这有效激发了BC-SR的基本磁模式。请注意，对电场的敏感性是因为在谐振附近的上下环和下环之间的强电场[4.］．因此，这种布置在微带线和BC-SR之间提供了紧凑的配置之间的强电耦合。

（一种）
（一种）
（b）
（b）
图2
DNG电池包括带有串联间隙的微带线的BC-Sr：（a）3D布局和（b）集成元件等效电路。

在 [4.[是否证明了该谐振器在其共振频率之后提供窄带中的负介电常数（ ）。相反，电容系列间隙（ ）暴露在等离子体频率之前的负渗透率（ ）[20.］．因此，如[4.]，具有适当拓扑的该子长结构支持窄频带中的后向波传播（参见图3.）。因此，这项工作背后的主要思想是利用这种DNG电池来设计和制造紧凑窄的BPF。


图3.
当 和 分别为共振粒子和串联间隙的模型。

由于BC-SR与垂直于基板的电场激发，因此为了更好的耦合，在该工作中，颗粒上方的传输线被加宽。这种加宽还防止了差距变窄到不能精确制造的程度（制造技术限制最小间隙尺寸至0.1mm）。此外，该线在加宽的部分旁边是锥形的，以便更好地匹配。

如图所示2（a），这种拓扑可以印刷在三层基板的表面上。在这项工作中，我们使用了三层罗杰斯4003c基板 = 3.55,H. = 0.8 mm,  = 0.0027, and 35 μ.M铜金属化厚度。BC-SR谐振频率由其尺寸决定。在图中所示的尺寸参数中2（a），循环的侧面长度（一种)对共振频率的影响最大。为了实现1ghz的通频带，一种设置为12.9毫米。串联电容间隙导致结构表现为磁性等离子体，具有负值渗透率直至等离子体频率（ ）基本上基本上是由间隙电容和线的每个截面电感形成的共振频率。因此，必须设计结构使等离子体频率（ ）高于谐振频率（ ）BC-SRS（见图3.）。在这种情况下，存在负有效渗透性和介质共存的区域。为了满足这种情况，我们的设计间隙尺寸（GS）设置为0.2毫米。要提取等效电路参数，如图所示2（b），我们应用了[4.］．该技术基于散射参数之间的比较（S.11.和S.21.)，分别通过全波仿真和集总元件等效模型的电路分析得到。等效电路元件的提取值如表所示1．
L. R.
4.4 PF. 7.3 nH 4.2 NH. 10.2 pF 0.86 PF. 0.6Ω
表格1
提取等效电路的元件。

结构的全波电磁和等效电路模拟的结果，如图所示2，如图所示4(一)这在结果之间清楚地表现出非常良好的一致性。在图中观察到1 GHz的1 GHz的窄通带和约18dB约为18dB的返回损耗4(一)．当electric field distribution over the cross section of the multilayer printed circuit board (at the middle of the structure) at the passband frequency (i.e., 1 GHz) is presented in Figure4 (b)，表明电场沿着BC-SR环的轴线。

（一种）
（一种）
（b）
（b）
图4.
(a) DNG单元的散射参数，(b) 1ghz时多层印刷电路板横截面(结构中部)的电场分布，其中参数如图所示1（a）设置为，一种 = 12.9 mm,  = 4.3 mm, Ws = 5.5 mm, Cl = 10 mm, Cw = 11.4 mm, Cd = 1.4 mm, gs = 0.2 mm, andH. = 0.8 mm.

等效电路模型也用于提取有效的相对介电常数（ε.R.）和渗透率（μ.R.)的负载传输线，采用[21.］．结果如图所示5.．在频率1 GHz(这是一个通频带频率)，实部ε.R.和μ.R.为负值，表示DNG传输频带。此外，考虑到ε.R.和μ.R.在1 GHz，即，ε.R. ≈ −0.69 andμ.R. ≈ −0.02 (notice that the imaginary parts ofε.R.和μ.R.可以忽略不计），找到负载线的阻抗比为 这相当接近50Ω，并演示了大约1 GHz的通带。

（一种）
（一种）
（b）
（b）
图5.
负载传输线的有效相对介电常数（A）和渗透率（B）。

为了达到更深的抑制和更尖锐的通频带，如图所示6（a），两个DNG单元级联，其中单元I和单元II分别包含一个左手手性谐振器和一个右手手性谐振器。这两个细胞在形状和尺寸上是相同的，只是它们的手性相反(见图)1（d）显示两个具有相反手性的相同谐振器)以消除介质的手性[4.］．全波电磁仿真（使用HFSS获得）和等效电路分析的结果在图中描绘6（a）和6（b）这是一个良好的协议，确认了等效电路模型的有效性。图中左右的狭窄通带是显而易见的。

（一种）
（一种）
（b）
（b）
图6.
（一种） （b） 两个级联的DNG细胞(其中一种 = 12.9 mm,  = 4.3 mm, Ws = 5.5 mm, Cl = 10 mm, Cw = 11.4 mm, Cd = 1.4 mm, gs = 0.2 mm, andS. = 2.1 mm).

3.实验结果

如前所述，使用三层罗杰斯RO4003C（厚度为0.8mm）来制造所提出的过滤器。如图所示7（a），将有间隙的传输线印刷在上层的顶面上。中间层两侧各印两个金属环(如图所示)7（b）和7（c））使用铜带彼此连接以形成Quasiplanar谐振器。底层是接地平面。最后，使用胶水粘在一起三层。从等效电路分析，全波仿真和测量获得的结果如图所示6（a）和6（b），展示他们之间的重大协议;然而，使用铜带代替通孔具有对谐振器的谐振频率的影响，其在测量结果中略微频移出来。此外，在图中6（b），测量S.21.显示中央频率为4.2 dB的插入损耗;但是，模拟插入损耗约为1.8 dB。这种额外的损失是由于使用胶水来粘接电路板。使用低损耗预浸料（例如，Rogers Ro4450保存）代替胶水可以显着降低插入损耗。

（一种）
（一种）
（b）
（b）
（C）
（C）
图7.
制作的滤光片的各个层:(a)顶层，(b)中间层的顶部视图，(c)中间层的底部视图(注意底层(图中没有显示)是接地面)。

最后，将所提出的滤波器与在谐振器类型，中心频率方面的文献中报告的一些其他紧凑窄的BPF进行比较（ ），分数带宽（FBW），长度，插入损耗（IL），设计中的金属层数，以及基板的介电常数。比较显示在表格中2它是按过滤器大小降序排序的。从表中可以看出，我们的工作中没有使用高介电常数，尺寸为0.11λ.0. × 0.03λ.0.，所提出的过滤器是最紧凑的。值得一提的是，高介电常数基板的应用（例如，ε.R. = 10.2 as in the most referenced works in Table2）进一步压实设计，因为这种介质中的引导波长（具有高介电常数）较短。同时，使用FBW = 2.2％，所提出的滤波器是第二个最选择性的（最窄）。相反，所提出的设计包括四个金属层，其在三个介电层上图案化，因此需要多层PCB制造过程;但是，另一个作品（除了[13.]）仅包括两个金属层，并且通过在单层PCB的两侧进行图案，更容易制造。在表格中2时，插入损耗为4.2 dB，可视为高损耗滤波器;然而，使用低损耗预浸料代替胶水粘合层可以大大降低插入损耗。
参考 谐振器 F0.（GHz） FBW（％） 尺寸[λ.0. × λ.0.] IL（DB） 金属层数量 ε.R.基板
[11.] SRR. 4．6 1.7 0.46×0.23 5.2 2 2．2
[22.] CSRR. 4．9 4. 0.41×0.16. 2．8 2 2．2
[13.] SRR. 0.9 2．9 0.25×0.07 5.1 3. 10.2
[16.] 沸腾 5. 3．7 0.23×0.08 2．8 2 10.2
[14.] CRLH-CPW 5. 6. 0.2×0.08 2．5 2 10.2
[23.] 加载的短截线 2．4 ３．５ 0.2×0.17 2．3 2 ３．５
[24.] SI-CSRR. 8.4 7.9 0.2×0.1 1.5 2 2．2
[25.] Square Srr. 2．4 12.1 0.18×0.07 0.3 2 10.2
[12.] S形SRR 1．25 12. 0.18×0.04 2．4 2 10.2
[15.] 硅谐振器 2．4 10.8 0.16×0.16. 5.8 2 4．5
[10.] CSRR. 1 8. 0.16×0.07 1.5 2 10.2
这项工作 BC-SR. 1 2．2 0.11×0.04 4.2 4. ３．５
表2.
所提出的过滤器与文献中报告的一些其他紧凑窄BPF之间的比较（按照下降顺序排序它们的尺寸）。

4。结论

呈现了一种窄的带通滤波器，具有简单的设计，后向 - 传播通带，紧凑尺寸和基于Quasiplanar谐振器的高选择性。介绍了等效电路分析，全波仿真和测量结果。与其他类似的作品相比，显示所提出的滤波器是最紧凑的并且是一个非常窄的带。

数据可用性

没有数据支持本研究。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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