基于CSRR-DGS的高選擇性寬帶濾波天線設(shè)計(jì)

崔林威，余世星，寇 娜，張正平

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

隨著第五代移動通信系統(tǒng)的日臻成熟，濾波天線作為一種把天線和濾波器集成化設(shè)計(jì)的一種新型微波器件越來越受到廣大研究人員的青睞[1]。濾波天線這種將天線和濾波器協(xié)同設(shè)計(jì)的方法不但省去了濾波器和天線之間的阻抗匹配電路，從而實(shí)現(xiàn)微波器件的小型化，降低整體電路的插入損耗，而且在很大程度上改善了天線的抗干擾效果[2]。

目前，濾波天線的實(shí)現(xiàn)方法總體上分為兩種[3-4]。一種濾波天線的實(shí)現(xiàn)方法是在天線的輻射貼片上加載枝節(jié)或者刻蝕縫隙從而改變天線的輻射模式[4]，通過這種方法設(shè)計(jì)的大多是一些窄帶天線或是一些陷波特性天線[4-5]，比如在微帶貼片天線上引入縫隙實(shí)現(xiàn)諧波抑制等。另一種實(shí)現(xiàn)途徑是在天線的饋線上加載濾波器設(shè)計(jì)具有濾波效果的抗干擾天線。文獻(xiàn)[6]提出的一種高選擇性低剖面濾波端射天線，將帶阻濾波元件集成到常規(guī)準(zhǔn)Yagi天線的饋線中，仿真和實(shí)測結(jié)果顯示在通帶的高頻邊緣天線具有良好的頻率選擇效果。文獻(xiàn)[7]主要通過在不影響天線輻射特性的前提下在全向偶極子貼片天線的饋電網(wǎng)絡(luò)中加載U形微帶線和工形槽來實(shí)現(xiàn)天線的濾波特性,最終設(shè)計(jì)出一款低剖面偶極子全向?yàn)V波天線。

本文在文獻(xiàn)[6]和[7]設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用傳統(tǒng)準(zhǔn)Yagi天線的端射形式，通過在天線的金屬地上加載一種正八邊形CSRR缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure,簡稱DGS)達(dá)到濾波效果；最終通過天線和缺陷地帶阻濾波器的綜合設(shè)計(jì)方法，巧妙設(shè)計(jì)出一款高選擇性低交叉極化寬帶端射濾波天線。該濾波天線在未來5G通信和衛(wèi)星通信領(lǐng)域都將會擁有非常廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值。

1 濾波天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的濾波天線整體上由傳統(tǒng)的準(zhǔn)Yagi天線和CSRR-DGS帶阻濾波器協(xié)同設(shè)計(jì)而成。采用基板相對介電常數(shù)為2.65，基板厚度1 mm，損耗正切為0.006。DGS刻蝕縫隙的寬度取0.2 mm。如圖1所示，濾波天線的整體結(jié)構(gòu)主要由微帶饋線、一對L形偶極子驅(qū)動器、條形金屬帶和蝕刻有正八邊形CSRR-DGS圖案的金屬地組成。饋線、條形金屬帶和一個L形偶極子位于頂部，而另一個偶極子則位于基片底部接地面上。通過在高頻電磁場仿真軟件HFSS15中仿真計(jì)算得到天線的詳細(xì)參數(shù)如下：

L=55 mm,W=35 mm,GL=23 mm,W1=2.63 mm,W2=2 mm,W3=1.3 mm,W4=0.17 mm,W5=0.74 mm,L1=32 mm,L2=8.3 mm,L3=13.2 mm,L4=5.5 mm,L5=18 mm,g=0.3 mm，R1=2.6 mm，R2=2.2 mm。

圖1 濾波天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the filter antenna

2 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與分析

圖2 DGS對天線的回波損耗的影響Fig.2 Effect of the DGS on antenna return loss

圖3 濾波天線增益曲線仿真結(jié)果Fig.3 Simulated results of the Filter antenna gain curve

圖2是本文設(shè)計(jì)的加載CSRR-DGS的新型濾波天線和原天線在HFSS15高頻電磁仿真軟件中回波損耗曲線的對比仿真結(jié)果。在3.6～4.7 GHz的通帶內(nèi)，天線的反射系數(shù)S11<-10 dB,相對帶寬達(dá)到26.5%；濾波天線的回波損耗曲線在通帶的上升邊緣更加陡峭，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)Yagi天線相比，帶外有明顯的截止特性，頻帶隔離度好，抗干擾性強(qiáng)。

圖3是濾波天線增益隨頻率變化的曲線，在增益曲線的低頻帶邊緣和高頻帶邊緣分別存在兩個輻射零點(diǎn)。濾波天線在3.6～4.7 GHz頻帶內(nèi)，增益均大于2 dBi，最大增益達(dá)到4.6 dBi；天線在3.7～4.7 GHz的寬帶范圍內(nèi)增益起伏小于1 dBi，增益起伏平穩(wěn)，具有良好的輻射穩(wěn)定性。

圖4是濾波天線分別給出天線工作頻帶內(nèi)4.0 GHz和4.5 GHz兩個諧振點(diǎn)上輻射方向圖，根據(jù)天線的放置位置坐標(biāo)和方向圖的輻射效果，天線很好地實(shí)現(xiàn)了端射的輻射效果。

圖4 不同頻點(diǎn)濾波天線的增益方向圖Fig.4 Radiation pattern of the antenna at different frequencies

圖5 不同頻點(diǎn)濾波天線的極化方向圖Fig.5 Polarization pattern of the antenna at different frequencies

圖5分別給出了濾波天線在4.0 GHz和4.5 GHz兩個頻點(diǎn)上的極化方向圖，可以觀察到天線在工作帶寬內(nèi)E面和H面輻射方向圖均處在較低的交叉極化水平。

3 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的端射天線的基礎(chǔ)上結(jié)合CSRR缺陷地結(jié)構(gòu)的帶阻特性，將天線和濾波器的設(shè)計(jì)方法綜合，巧妙設(shè)計(jì)了一款工作在C波段的高頻率選擇性低交叉極化寬帶端射濾波天線。通過在天線的反射型金屬地上蝕刻CSRR型缺陷圖案，在天線工作頻帶的高頻邊緣引入輻射零點(diǎn)，提高頻帶上邊緣的頻率選擇性；最終所設(shè)計(jì)濾波天線的相對帶寬達(dá)到26.5%，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶，最大增益達(dá)到4.6 dBi，天線在3.7～4.7 GHz內(nèi)增益起伏小于1 dBi，輻射穩(wěn)定性好，并且在工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較低的交叉極化水平。本文所設(shè)計(jì)的濾波天線在未來5G通信和衛(wèi)星通信領(lǐng)域都將擁有著廣闊的應(yīng)用前景和價值。