1 引言

目前分裂諧振環(huán)SRR(Split Ring Resonators)和互補(bǔ)分裂諧振環(huán)CSRR(Complementary Split Ring Resonators)的潛在應(yīng)用價(jià)值不斷被挖掘。SRR可用于左手材料LHM(Left-Handed Material)，LHM具有反向電導(dǎo)介電常數(shù)和滲透系數(shù)。這種反向介電常數(shù)通過(guò)互補(bǔ)的SRR(CSRR)來(lái)彌補(bǔ)。這樣共振因素導(dǎo)致SRR應(yīng)用的局限性，同時(shí)也促進(jìn)CSRR發(fā)展。

研究證明，在以CSRR為基礎(chǔ)的傳輸電路中增加溝道來(lái)建立平面LHM是可行的。這種平面LHM可用于設(shè)計(jì)微帶帶通濾波器。但當(dāng)前大多數(shù)帶通濾波器都是由LH單元或其改進(jìn)的單元簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)構(gòu)成的。幾乎所有的帶通濾波器設(shè)計(jì)均不能較好地控制其頻率響應(yīng)(帶寬、帶外抑制等)。因此，這里詳細(xì)給出基于電容耦合零階諧振器(ZOR)的微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)。

ZOR以平面LHM為基本單元，通過(guò)分析直接由Bloch阻抗和相移確定模擬量S和零階共振頻率。該設(shè)計(jì)能夠采用導(dǎo)納斜率參數(shù)定量描述ZOR的諧振參數(shù)，使用統(tǒng)一負(fù)長(zhǎng)度微系統(tǒng)嵌入式電容描述J-變頻器，通過(guò)連接ZOR和J-變頻器完成BPF設(shè)計(jì)和仿真。

2 平面LHM和ZOR的設(shè)計(jì)分析

CSRR和溝道組成的LHM單元典型布局如圖1所示，圖1中，其襯底厚度為1．5 mm，介電常數(shù)為2．65,外環(huán)半徑rout=6mm，內(nèi)環(huán)半徑rin=5．4 mm，圓環(huán)寬度S=0．3 mm，圓環(huán)缺口寬度g=0．3 mm，底板上貼片溝道寬度gap=0．8 mE，LHM單元長(zhǎng)度l=22 mm，底板上貼片寬度w=4．2 mm。本文假定rin=rout-2S。


LHM由單元細(xì)胞級(jí)聯(lián)組成，圖2為由2個(gè)單元細(xì)胞級(jí)聯(lián)的平面LHM S11圖。由圖2可知，過(guò)渡帶衰減較小，選擇性較差。雖然可通過(guò)增加單元細(xì)胞級(jí)聯(lián)數(shù)改善系統(tǒng)選擇性，但難以得到對(duì)稱的響應(yīng)曲線、良好的通帶帶寬控制性能以及其他性能指標(biāo)。因此在分析LH通帶附件的單元細(xì)胞的性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)平面共振器模型，以改進(jìn)其性能。導(dǎo)納斜率參數(shù)6可由式(1)計(jì)算：

式中，f=f0。計(jì)算b約0．107 9 S。
3 濾波器設(shè)計(jì)

圖3為J－變頻器實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)微帶帶通濾波器電路。

n階帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)由式(2)確定：

式中，b為ZOR的導(dǎo)納斜率參數(shù)，ω為帶寬(FBW)，Ji,i+1為變頻器的J值，gi為原型低通濾波器參數(shù)，G0和G4分別為輸入輸出端口的抗負(fù)荷指數(shù)。

J-變頻器可認(rèn)為是微帶負(fù)長(zhǎng)度之間的嵌入式電容，其中電容Ci,i+1以及相移φi,i+1由式(3)計(jì)算：


由Ansoft軟件優(yōu)化的帶通濾波器的幾何圖形和尺寸如圖4所示。襯底厚度為1．5 mm，介電常數(shù)為2．65，貼片上兩側(cè)微帶長(zhǎng)度l，=7 mm，貼片上兩側(cè)微帶寬度g1=0．2 mm，貼片上中央微帶長(zhǎng)度l2=0．75 mm，貼片上中央微帶寬度g2=0．2 mm，微帶外側(cè)距離l=43．5 mm。從而獲得模擬量與測(cè)量量之間良好對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5為該微帶帶通濾波器的仿真模型。仿真表明，與由單元細(xì)胞簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)構(gòu)成的帶通系統(tǒng)相比，該帶通濾波器具有更好的選擇性能、對(duì)稱的頻率響應(yīng)曲線以及良好的通帶帶寬控制性能。