一款小型化具有濾波特性的Г型天線設(shè)計

華陽，韓超

（海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧 大連 430000）

在過去的數(shù)十年中，無線通信領(lǐng)域已經(jīng)經(jīng)歷了革命性的發(fā)展，越來越要求無線通信系統(tǒng)具有小型化、低損耗、抗干擾性強(qiáng)等特點。因此，將無線通信系統(tǒng)射頻前端，兩個尺寸較大的無源器件——天線和濾波器，集成設(shè)計為一個模塊，同時具備輻射和濾波特性就顯得特別重要。

現(xiàn)已有一些關(guān)于濾波器與天線集成設(shè)計為一個模塊的文獻(xiàn)[1-4]。文獻(xiàn)[1]中，在喇叭天線和波導(dǎo)饋線之間引入 Ω型金屬結(jié)構(gòu)后，喇叭天線獲得了濾波特性；在文獻(xiàn)[2]中，在微帶天線引入短路探針后，使微波天線出現(xiàn)了具有傳輸零點的濾波特性；在參考文獻(xiàn)[3]和[4]中，在濾波器和天線之間引入阻抗變換結(jié)構(gòu)，也獲得了濾波特性，但是新引入的阻抗變換結(jié)構(gòu)增加了整個模塊的復(fù)雜性，也使模塊的質(zhì)量、尺寸和損耗更大。在這些文獻(xiàn)中，雖然通過引入不同的結(jié)構(gòu)，使天線獲得了濾波特性，但是在設(shè)計中沒有使用綜合設(shè)計方法，也沒有考慮濾波器或天線的特性，因此這些方法并不具備通用性。近年來，綜合設(shè)計方法慢慢引入到濾波器和天線集成設(shè)計中[5-10]。天線具有較好的帶外抑制特性，但是尺寸仍然比較大。

文中設(shè)計了一款小型化的具有濾波特性的 Г型天線。利用綜合設(shè)計方法，將二個發(fā)夾型諧振器、一段耦合線和 Г型天線集成設(shè)計為具有濾波特性的 Г型天線。該設(shè)計中Г型天線按照濾波器諧振器要求進(jìn)行設(shè)計，從而取代濾波器最后一個諧振器形成濾波器天線，這樣Г型天線不僅起輻射作用，同時還是濾波器的一個諧振器。這樣極大縮減了濾波器與天線集成設(shè)計的尺寸和傳輸損耗。給出了該濾波器天線設(shè)計和仿真結(jié)果，結(jié)果顯示，濾波器天線具有好的濾波器性能和輻射特性。

1 濾波器Г型天線設(shè)計

在開展濾波器與微帶天線集成綜合設(shè)計之前，首先需要綜合設(shè)計一款三階發(fā)夾型濾波器，如圖 1所示。利用濾波器綜合方法設(shè)計一款0.1 dB等波紋和在2.45 GHz阻抗帶寬為8.6%的三階切比雪夫帶通濾波器[11]。諧振器間的耦合系數(shù)為M12=M12=0.0791，輸入/輸出端的外部品質(zhì)因數(shù)為 Qext,1=Qext,2=12。該濾波器印制在厚度為0.6 mm、介電常數(shù)為2.65的介質(zhì)板上。

圖2所示的濾波器天線由二個發(fā)夾型諧振器，一段耦合線和Г型天線組成。這種集成設(shè)計中，在濾波器和天線之間不需要引入額外的阻抗變換結(jié)構(gòu)。因此，在濾波器和天線之間基本上沒有損耗，同時尺寸也得到極大的縮減。為實現(xiàn)天線與濾波器的集成設(shè)計，且天線還作為濾波器的一個諧振器，因此天線的品質(zhì)因數(shù)應(yīng)滿足濾波器要求，天線的品質(zhì)因數(shù)可通過式（1）計算[12]：

式中：Zin為天線饋電點處的輸入阻抗；0ω為天線諧振頻率。天線的地板尺寸為32 mm×40 mm。天線的諧振頻率由Г型天線總長度 x1+x2+x3決定。天線的總長為27 mm，大約為中心頻率2.45 GHz所對應(yīng)波長的1/4。QA取決于水平帶線的長度x1，這是因為天線電流主要分布在水平帶狀線上。最終 x1，x2和 x3的長度分別為 10，13.5，3.5 mm，此時天線的Qext,1=Qext,2=12。

為了連接Г型天線和發(fā)夾型諧振器，設(shè)計了耦合結(jié)構(gòu)，它起著導(dǎo)納變換器的作用。根據(jù)天線與濾波器諧振器的具體結(jié)構(gòu)，選擇平行耦合雙導(dǎo)線結(jié)構(gòu)作為耦合結(jié)構(gòu)。耦合結(jié)構(gòu)及其等效電路如圖3所示。

利用奇偶模分析法對平行耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。為了使兩種結(jié)構(gòu)有相同的電性能，耦合線與其等效電路的 ABCD矩陣應(yīng)該相等。對于耦合線可以先寫出 Z矩陣，利用Z矩陣和ABCD矩陣的關(guān)系求得ABCD矩陣。等效電路的 ABCD矩陣可以通過三個矩陣相乘的形式得到（等效電路里的微帶線、導(dǎo)納變換器與微帶線對應(yīng)的 ABCD矩陣）[13]。讓耦合線與等效電路的 ABCD相等，在電長度θ=π/2時，可以推出如下關(guān)系：

式中：C1和C2為低通原型濾波器元件值；Z0e和Z0o為奇模和偶模阻抗。在給定Z0的情況下，可求得平行耦合線的物理尺寸。耦合線的長度(L5+L6)大約為中心頻率2.45 GHz波長的1/4。耦合線的線寬和線間距分別為0.5 mm 和0.4 mm。

集成的三階濾波器天線的等效電路如圖4所示?？梢钥闯?，天線起諧振的同時還起輻射作用，平行耦合線等效為導(dǎo)納變換器，將諧振器與天線相連。除此之外，圖3也給出了用于與濾波器進(jìn)行集成的Г型天線結(jié)構(gòu)與尺寸。用于仿真軟件 HFSS 17進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終優(yōu)化好的尺寸見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

2 仿真結(jié)果

使用 HFSS 17對優(yōu)化設(shè)計好的濾波器天線進(jìn)行仿真分析，圖5給出了濾波器天線仿真反射系數(shù)和增益曲線。在整個頻帶內(nèi)，仿真反射系數(shù)在-10 dB以下，仿真帶寬為6.5% （2.38～2.54 GHz）。圖5還給出了仿真增益隨頻率變化曲線，可以看出，濾波器天線在通帶內(nèi)增益變化很平緩，最大差異為0.92 dB；在通帶外增益快速下降，在2.15 GHz和 2.75 GHz處增益分別為-15 dBi和-25 dBi，這說明濾波器天線具有良好的帶外抑制特性。圖 5為濾波器天線在2.45 GHz xz面 和 xy面的仿真方向圖。xz面的方向圖幾乎是全向的，其最大增益為2.19 dBi。

3 結(jié)論

利用綜合設(shè)計方法設(shè)計了一款小型化的具有濾波特性的Г型天線。一段1/4波長的耦合線作為導(dǎo)納變換器，用于連接Г型天線和濾波器發(fā)夾型諧振器，這樣 Г型天線在起輻射作用的同時也是濾波器的一個諧振器。設(shè)計的濾波器天線具有類似傳統(tǒng)帶通濾波器一樣良好的頻率選擇特性，通帶內(nèi)天線增益變化平緩，帶外具有較好的抑制特性。濾波器天線電性能展現(xiàn)出良好的濾波和輻射特性，很適合用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的射頻前端。