寬帶低剖面微帶濾波器天線設(shè)計(jì)*

鮑敬源 吳為軍 劉 義 熊 波

(1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064)(2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430064)

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寬帶低剖面微帶濾波器天線設(shè)計(jì)*

鮑敬源1吳為軍2劉 義2熊 波2

(1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064)(2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430064)

論文設(shè)計(jì)了一種具有全向輻射特性的寬帶低剖面微帶濾波器天線。利用作為導(dǎo)納變換器的耦合線,連接微帶天線和濾波器的第二個(gè)諧振器。在該設(shè)計(jì)中,微帶天線不僅是輻射器也是帶通濾波器的最后一階諧振器。因此,減少了濾波器與天線之間的傳輸損耗。該天線具有25%的阻抗帶寬,3.5mm厚的低剖面,全向輻射方向圖和高的帶外抑制度。

微帶濾波器天線; 寬帶; 低剖面

Class Number TN92

1 引言

在過(guò)去幾十年間,無(wú)線通信系統(tǒng)經(jīng)歷了爆發(fā)式的發(fā)展。這帶來(lái)了許多無(wú)線產(chǎn)品和設(shè)備的發(fā)明創(chuàng)造,例如無(wú)線局域網(wǎng),無(wú)線電話等。單極子天線因?yàn)槟茉诜轿幻嫣峁┤蚍较驁D,所以在無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛[1～2]。文獻(xiàn)[3～5]中利用同軸探針激勵(lì)圓形微帶天線激發(fā)微帶天線的高次模輻射,從而產(chǎn)生類似于單極子的方向圖。與傳統(tǒng)單極子天線相比,這種設(shè)計(jì)具有低剖面的優(yōu)勢(shì)。然而,這樣設(shè)計(jì)的天線具有阻抗帶寬窄和低的帶外抑制度的缺點(diǎn)。近年來(lái),一種集成設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于濾波器和天線的集成設(shè)計(jì)[6～10],可提高阻抗帶寬和帶外抑制度,但不具備低剖面外形和全向方向圖的特性。

本文提出了一種具有全向輻射特性的寬帶濾波器天線,可適用于無(wú)線通信系統(tǒng),該濾波器天線還具有低剖面的外形,因此也適用于共形設(shè)計(jì)。微帶天線的貼片位于通信系統(tǒng)電路板上方,并與電路板共用地板,在系統(tǒng)電路板另一側(cè)印刷有兩個(gè)開(kāi)口諧振器,一段耦合線和一段阻抗變換線。這種設(shè)計(jì)方法將濾波器天線的設(shè)計(jì)融入到通信系統(tǒng)電路板中。阻抗變換線用于調(diào)節(jié)微帶天線的諧振特性,從而使得天線滿足濾波器最后一階諧振器的要求。文中給出了濾波器天線的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果,結(jié)果顯示該濾波器天線具有寬帶,低剖面外形,全向輻射方向圖和高的帶外抑制度。

2 濾波器天線設(shè)計(jì)

圖1給出了綜合得到的三階微帶開(kāi)口環(huán)諧振器濾波器,濾波器天線參考三階濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用標(biāo)準(zhǔn)的濾波器綜合技術(shù)設(shè)計(jì)一款在2.45GHz具有12%帶寬的三階帶通濾波器。濾波器的耦合系數(shù)和輸入輸出端口的外品質(zhì)因數(shù)分別為：k12=k23=0.12和Qext,1=Qext,2=7.93。濾波器由三個(gè)開(kāi)口諧振器組成,這些諧振器印刷在介電常數(shù)εr=2.65和厚度為0.6mm的介質(zhì)板上。

圖1 參考三階濾波器

注:Rp=8.5,Rg=50,a=9.5,b=14,c=16,d=0.65,x1=4.5,x2=10.7,h=9.2,w1=2.18,w2=0.5,w3=2.18,t1=10,t2=2.82,t3=5,t4=8.77,y1=12.15,y2=8.6,s1=0.25,s2=0.5,s3=1,g1=1.2,g2=1.2,l=10.4。所有長(zhǎng)度的單位為：mm

圖2 設(shè)計(jì)的微帶濾波器天線幾何尺寸

圖2給出了設(shè)計(jì)的微帶濾波器天線,該天線包括兩個(gè)開(kāi)口諧振器,一段耦合線和一個(gè)帶有阻抗變換線的微帶天線。這個(gè)微帶天線是作為濾波器的最后一個(gè)諧振器設(shè)計(jì)的。微帶天線是利用高次模進(jìn)行輻射,從而可以獲得全向輻射方向圖。圖2給出了工作在2.45GHz微帶天線外形圖。天線由中心饋電的圓形貼片和一個(gè)耦合的圓環(huán)組成。微帶天線印刷在介電常數(shù)為εr=10.2和厚度為0.8mm的介質(zhì)板上,該貼片與系統(tǒng)電路板具有共用地板,從而將濾波器天線的設(shè)計(jì)融入進(jìn)系統(tǒng)電路板中。將一段阻抗變換線連接到微帶天線上,用來(lái)調(diào)節(jié)微帶天線在2.45GHz的諧振特性。印刷在系統(tǒng)PCB板上的微帶線寬度為2.18mm,通過(guò)調(diào)節(jié)微帶線的長(zhǎng)度t1可以使微帶天線成為濾波器的最后一個(gè)諧振器。

為了將信號(hào)從濾波器的第二個(gè)諧振器傳輸?shù)轿炀€,在天線設(shè)計(jì)中引入耦合線作為導(dǎo)納變換器,從而減少濾波器和天線之間的傳輸損耗。耦合線的長(zhǎng)度(y1+y2)近似為2.45GHz頻點(diǎn)的λ/4。耦合線的線寬w2和線間隙s1分別為0.5mm和0.25mm。

濾波器天線的圓形貼片用同軸探針饋電從而激發(fā)高次模輻射以獲得全向的方向圖。因此,濾波器天線具有比單極子天線低的剖面、25%阻抗帶寬和高的帶外抑制度。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證該濾波器天線的性能,使用Ansoft公司的高頻仿真軟件(HFSS.14)進(jìn)行天線性能仿真驗(yàn)證。圖3給出了仿真得到的反射系數(shù)和天線在+x軸方向上的天線增益,可見(jiàn)在整個(gè)頻帶中仿真反射系數(shù)在-15dB以內(nèi),通帶范圍內(nèi)天線增益在+x軸方向變化比較平坦,帶外輻射性能降低明顯。圖4給出了天線在xz和xy平面2.45GHz的方向圖,從圖中可以看出天線方向圖具有與單極子天線類似的方向圖,在方位面具有全向的輻射特性,全向方向圖幅度的變化在1.6dB以內(nèi)。在最大輻射方向上的增益為1.21dBi。

圖3 設(shè)計(jì)的微帶濾波器天線的仿真反射系數(shù)和增益曲線

(a)xz面

(b)xy面圖4 設(shè)計(jì)的微帶濾波器天線的仿真方向圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款具有全向輻射特性的寬帶低剖面微帶濾波器天線。利用一段四分之一波長(zhǎng)的耦合線來(lái)連接微帶天線和微帶濾波諧振器,使得微帶天線在保持輻射特性的同時(shí)也起到諧振器的作用。該濾波器天線具有低剖面、寬頻帶、平坦的通帶增益和高帶外抑制度,因此,可在無(wú)線通信系統(tǒng)電路中集成應(yīng)用。

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Design of Micro-strip Filter Antenna with Broad-band and Low-profile Characteristics

BAO Jingyuan1WU Weijun2LIU Yi2XIONG Bo2

(1.Navy Representative Office in of 701 Institute,Wuhan 430064)(2.The National Key Laboratory of EMC,China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064)

The paper presents a kind of micro-strip filter antenna of broadband and low profile characteristics with omni-directional radiation characteristics.The coupling line is used for the connection of antenna and the sencod resonator of filter,as the admittance converter.In the design,the micro-strip is not only the radiator,but also the last stage resonator of band-pass filter.Therefore,the transmission loss of the filter to antenna is reduced.The designed antenna has the bandwidth of 25%,low-profile of 3.5mm,omni-directional radiation pattern and a high band rejection.

micro-strip filter antenna,broad band,low profile

2014年8月11日,

2014年9月23日

鮑敬源,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向：艦船電子設(shè)備。

TN92

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.023