一種頻率選擇性高零點(diǎn)可控的寬帶濾波貼片天線

葉亮華，溫俊翔，張經(jīng)綸，劉權(quán)達(dá)，吳琦韻

（廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引 言

濾波器和天線都是無(wú)線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。為了減小無(wú)線通信系統(tǒng)的占用空間，將濾波器與天線集成為濾波天線[1]的工作備受研究者的關(guān)注。同時(shí)，濾波天線還可以在多頻陣列天線中有效地減少不同頻段之間的耦合影響[2-3]。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)越的濾波天線是十分必要的。

目前，設(shè)計(jì)濾波天線的方法主要有三種：第一種方法是直接將濾波器與天線通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相互級(jí)聯(lián)[4-6]。然而這種方法不僅增加了天線的尺寸，還帶來(lái)額外的損耗；第二種方法是設(shè)計(jì)天線的饋電結(jié)構(gòu)，使其具有濾波功能。例如終端耦合微帶線[7]、雙探針饋電結(jié)構(gòu)[8]、具有頻率選擇性的饋電線[9]，但是這種方法也會(huì)帶來(lái)額外的損耗；第三種方法是直接賦予天線濾波的功能，這可以有效地減小系統(tǒng)的占用空間并消除額外損耗。各種諧振器在此方法的基礎(chǔ)上用于產(chǎn)生零點(diǎn)，以達(dá)到濾波的效果，例如λ2 諧振槽[10-11]、堆疊貼片[12]、短路針[13]以及寄生環(huán)[14]。文獻(xiàn)[15]提出了一種由環(huán)狀饋電結(jié)構(gòu)和4 個(gè)L 型輻射貼片組成的天線，該天線實(shí)現(xiàn)了良好的濾波特性，但卻只有4.1%的帶寬。為了拓寬帶寬，文獻(xiàn)[16]將直槽和U 型縫隙加載到天線上，在實(shí)現(xiàn)了濾波特性的同時(shí)，把帶寬增加到11.8%。文獻(xiàn)[17]將貼片堆疊在天線上方，實(shí)現(xiàn)了25%的寬帶，但天線的剖面卻大大增加。

本文提出了一種無(wú)需任何額外濾波電路的緊湊型寬帶濾波貼片天線。TM10的諧振模式和高頻輻射零點(diǎn)都是通過(guò)在貼片天線的地板嵌入U(xiǎn) 型槽所產(chǎn)生的。為了引入額外的諧振模式以及低頻的阻帶輻射零點(diǎn)，一對(duì)直槽蝕刻在矩形貼片中。最后，將U 型微帶線附加在天線上產(chǎn)生另一個(gè)額外的低頻阻帶輻射零點(diǎn)，以增強(qiáng)濾波效果。通過(guò)利用這些方法，一種增益穩(wěn)定和頻率選擇性高的寬帶濾波貼片天線就設(shè)計(jì)完成了。

1 寬帶濾波貼片天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1 給出了貼片天線的幾何結(jié)構(gòu)。

圖1 天線的總體尺寸

貼片天線主要由兩層介質(zhì)板組成，如圖1a）所示。上層由矩形貼片（見(jiàn)圖1c））和U 型微帶線（見(jiàn)圖1d））組成，它們分別印刷在1.524 mm 厚的介質(zhì)板（介質(zhì)1）上表面和下表面，介質(zhì)板的介電常數(shù)為3.55。一對(duì)矩形開(kāi)口槽對(duì)稱地蝕刻在輻射貼片的一個(gè)長(zhǎng)邊，用于在低頻通帶邊緣產(chǎn)生輻射零點(diǎn)，而U 型微帶線用于產(chǎn)生另一個(gè)低頻段輻射零點(diǎn)。金屬地板印刷在下層1.524 mm 厚的介質(zhì)板（介質(zhì)板2）底部，其介電常數(shù)為3.55。如圖1e）所示，一個(gè)U 型槽嵌入到地板用于在高頻通帶附近引入輻射零點(diǎn)。一個(gè)50 Ω 的同軸電纜用來(lái)激勵(lì)天線，其內(nèi)導(dǎo)體與U 型微帶線和貼片相連，外導(dǎo)體與地板相連。

通過(guò)使用上述結(jié)構(gòu)，一種具有良好帶內(nèi)寬帶性能和帶外抑制性能的天線實(shí)現(xiàn)了。其參數(shù)如下：Gw=77.0，L1=67.0，W1=46.5，Lx=37.0，Ls=24.5，Ws1=1.5，d=15.7，Lu1=22.0，Lu2=7.0，Wu=1.5，h=3.0，Ls2=23.0，Ls3=10.0，Ws2=1.5，Ly=19.3，單位為mm。

1.2 設(shè)計(jì)步驟

本節(jié)將用天線的設(shè)計(jì)演變過(guò)程和相應(yīng)的性能清楚地描述該濾波天線的設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)演變過(guò)程如圖2所示，天線1 是由同軸電纜激勵(lì)的矩形貼片天線，然后在天線1 的地板上蝕刻一個(gè)U 型槽后，形成了天線2，天線3 是通過(guò)在矩形貼片中引入一對(duì)直槽形成的，當(dāng)將U 型微帶線附加到天線3 時(shí)，天線4 最終完成設(shè)計(jì)。

圖2 演化過(guò)程中的天線

不同天線的|S11|和增益在圖3 和圖4 中分別進(jìn)行了比較。為便于分析，天線1、2、3 和4 中所有的參數(shù)都保持相同。從圖3 可以看出：天線1 在2.1 GHz 的阻抗不匹配，無(wú)法有效輻射電磁波；對(duì)于天線2，通過(guò)在地板加載U 型槽，TM10模式成功地在2.13 GHz 產(chǎn)生，這改善了阻抗匹配并在高頻通帶邊緣引入輻射零點(diǎn)fn1。接著，由于在天線3 的矩形貼片中蝕刻了一對(duì)矩型槽，TM10模式移動(dòng)到fz1，并且額外的諧振模式在fz2處被激發(fā)。這兩種諧振模式一起工作，形成1.95～2.25 GHz 的寬帶。此外，輻射零點(diǎn)fn2還產(chǎn)生在低頻通帶邊緣。最后，為了在低頻產(chǎn)生額外的輻射零點(diǎn)fn3以增強(qiáng)帶外抑制水平，U 型微帶線加載到天線4 以實(shí)現(xiàn)最終設(shè)計(jì)。從仿真結(jié)果可以看出，該濾波天線具有1.96～2.26 GHz 的帶寬以及較高的頻率選擇性。

圖3 演化過(guò)程中不同天線的|S11|

圖4 設(shè)計(jì)過(guò)程中不同天線的增益

1.3 工作原理

本節(jié)用貼片天線在諧振頻率和輻射零點(diǎn)頻率下的電流分布來(lái)闡述濾波天線的工作機(jī)理，如圖5和圖6所示。

圖5 貼片在不同頻率下的電流分布

在第一個(gè)諧振點(diǎn)fz1（見(jiàn)圖5a）），電流主要集中在貼片的左右邊緣，所有電流沿y軸流動(dòng)，表明TM10模式在輻射貼片中被激發(fā)。在第二個(gè)諧振頻率fz2（見(jiàn)圖5b）），強(qiáng)電流分布在矩型槽周圍以及貼片的左右邊緣，兩個(gè)矩型槽左右兩側(cè)的電流具有相等的幅度，但方向相反。因此，矩型槽周圍的電流相互抵消，即貼片邊緣的電流會(huì)產(chǎn)生一種類似于TM10的諧振模式。所以本文提出的濾波天線在寬頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的輻射方向圖和增益。

在輻射零點(diǎn)fn1處（見(jiàn)圖6a）），強(qiáng)電流在地板的U 型槽周圍流動(dòng)，沿槽兩邊的電流大小相等方向相反，U 型槽周圍的電流幾乎全被抵消，從而產(chǎn)生輻射零點(diǎn)fn1；在輻射零點(diǎn)fn2處（見(jiàn)圖6b）），大部分電流在兩個(gè)矩型槽周圍，因?yàn)榫匦筒蹆蓚?cè)的電流方向相反、強(qiáng)度相等，導(dǎo)致能量相互抵消，所以會(huì)產(chǎn)生輻射零點(diǎn)fn2；在輻射零點(diǎn)fn3（見(jiàn)圖6c））處，能量主要集中在U 型微帶線上，并且電能和磁能相互轉(zhuǎn)換，很少能量輻射出去，這就導(dǎo)致產(chǎn)生新的低頻輻射零點(diǎn)fn3。

1.4 輻射零點(diǎn)的可控性

通過(guò)調(diào)整U 型槽、矩型槽和U 型微帶線的總長(zhǎng)度可以靈活控制天線的輻射零點(diǎn)。為了清楚地展示控制輻射零點(diǎn)的方法，本節(jié)研究其不同參數(shù)下相應(yīng)的增益變化，如圖7 所示。

圖7 不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的增益曲線

1）輻射零點(diǎn)fn1：U 型槽中，不同Ls2對(duì)增益的影響如圖7a）所示。隨著Ls2的減小，fn1的頻率越來(lái)越高，而輻射零點(diǎn)fn2、fn3保持不變，體現(xiàn)了輻射零點(diǎn)fn1的可控性。

2）輻射零點(diǎn)fn2：矩型槽中，不同Ls1對(duì)增益的影響如圖7b）所示?？梢钥闯觯S著Ls1從23.8 mm 增加到25.2 mm，fn2向低頻移動(dòng)，而其他輻射零fn1、fn3幾乎保持不變。這驗(yàn)證了輻射零fn2的獨(dú)立可控性。

3）輻射零點(diǎn)fn3：U 型微帶線中，不同Lu1對(duì)增益的影響如圖7c）所示。隨著Lu1的增加，fn3向低頻移動(dòng)，Lu1的變化對(duì)輻射零點(diǎn)fn1、fn3沒(méi)有影響。

2 加工與測(cè)試分析

設(shè)計(jì)的濾波天線經(jīng)過(guò)制造和測(cè)試以進(jìn)行驗(yàn)證。天線的原型和測(cè)試結(jié)果如圖8a）和圖8b）所示。本文的濾波天線具有18.5%（1.9～2.3 GHz）的帶寬，所測(cè)得的帶內(nèi)增益穩(wěn)定在（6.4±0.6）dBi 的范圍內(nèi)。同時(shí)，3 個(gè)輻射零點(diǎn)分別在1.72、1.84和2.47 GHz處實(shí)現(xiàn)，低頻阻帶的帶外抑制水平為14.5 dB，高頻阻帶的帶外抑制水平為17 dB，實(shí)現(xiàn)了良好的濾波特性。測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果之間的輕微差異主要是由于制造和測(cè)量造成的誤差。圖9 顯示了在2.0 GHz、2.1 GHz 和2.2 GHz 下的輻射方向圖。可以看出，該濾波天線在工作帶上具有穩(wěn)定的寬邊輻射性能，并且交叉極化比大于20 dB。

圖8 天線的模型照片和測(cè)試結(jié)果

圖9 不同頻率下的仿真和測(cè)試方向圖

表1 將本文提出的天線和其他文章提出的天線模型進(jìn)行比較。與文獻(xiàn)[10]所提出的濾波貼片天線相比，本文的天線在尺寸適中的情況下，具有更寬的帶寬和更高的頻率選擇特性；與文獻(xiàn)[16]提出的濾波天線相比，本文的天線具有更寬的帶寬、更小的尺寸以及更好的頻率選擇性；與文獻(xiàn)[17]提出的寬帶濾波天線相比，本文提出的天線實(shí)現(xiàn)了更小的尺寸、更低的剖面以及更高的頻率選擇性。

表1 參考文獻(xiàn)天線對(duì)比

3 結(jié) 論

本文提出了一種高寬帶、頻率選擇性高、尺寸小的貼片濾波天線。通過(guò)加載U 型微帶線、U 型槽和兩個(gè)直槽，該濾波貼片天線在帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了雙模式工作方式以達(dá)到拓寬寬帶的目的，在帶外引入了3 個(gè)輻射零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高頻率選擇性。本文提出的濾波天線具有18.5%的帶寬，穩(wěn)定的增益（6.4±0.6）dBi，低頻帶外抑制水平高于14.5 dB，高頻帶外抑制水平高于17 dB，并且具有0.54λ0×0.54λ0×0.04λ0的小尺寸。本文為濾波天線的設(shè)計(jì)提供了一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

注：本文通訊作者為劉權(quán)達(dá)。