基于CSRR-DGS的高選擇性寬帶濾波天線設計

摘 要：設計了一款基于互補開口諧振環(huán)缺陷地結構（CSRR-DGS）的寬帶端射濾波天線。非平衡微帶巴倫饋線的高通特性使得天線較低頻邊緣具有良好的頻率選擇性。為了提高帶內上頻帶邊緣的頻率選擇性，將CSRR-DGS單元加載到準Yagi天線的反射型金屬地中，在輻射增益曲線的上頻帶邊緣引入輻射零點。濾波天線的相對帶寬（S11<-10 dB）達到26.5%，在天線工作頻率范圍內，天線增益非常穩(wěn)定，在3.7～4.7 GHz內增益起伏小于1 dBi，最大增益為4.6 dBi。與傳統(tǒng)通過帶通濾波器和天線的綜合設計方法相比，具有較小的尺寸和更好的頻率選擇性。

關鍵詞：互補開口諧振環(huán);頻率選擇性;缺陷地結構;濾波天線

中圖分類號：TN820

文獻標識碼： A

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計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)同設計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，濾波天線的實現(xiàn)方法總體上分為兩種[3-4]。一種濾波天線的實現(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]，通過這種方法設計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現(xiàn)諧波抑制等。另一種實現(xiàn)途徑是在天線的饋線上加載濾波器設計具有濾波效果的抗干擾天線。文獻[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Yagi天線的饋線中，仿真和實測結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[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)絡中加載U形微帶線和工形槽來實現(xiàn)天線的濾波特性，最終設計出一款低剖面偶極子全向濾波天線。

本文在文獻[6]和[7]設計的基礎上，利用傳統(tǒng)準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缺陷地結構（Defected Ground Structure，簡稱DGS）達到濾波效果;最終通過天線和缺陷地帶阻濾波器的綜合設計方法，巧妙設計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)星通信領域都將會擁有非常廣闊的應用前景和應用價值。

1 濾波天線結構設計

本文設計的濾波天線整體上由傳統(tǒng)的準Yagi天線和CSRR-DGS帶阻濾波器協(xié)同設計而成。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，濾波天線的整體結構主要由微帶饋線、一對L形偶極子驅動器、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中仿真計算得到天線的詳細參數(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。

2 實驗仿真結果與分析

圖2是本文設計的加載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果。在3.6～4.7 GHz的通帶內，天線的反射系數(shù)S11<-10 dB，相對帶寬達到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。

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。濾波天線在3.6～4.7 GHz頻帶內，增益均大于2 dBi，最大增益達到4.6 dBi;天線在3.7～4.7 GHz的寬帶范圍內增益起伏小于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4.0 GHz和4.5 GHz兩個諧振點上輻射方向圖，根據(jù)天線的放置位置坐標和方向圖的輻射效果，天線很好地實現(xiàn)了端射的輻射效果。

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

3 結語

本文在傳統(tǒng)的端射天線的基礎上結合CSRR缺陷地結構的帶阻特性，將天線和濾波器的設計方法綜合，巧妙設計了一款工作在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，提高頻帶上邊緣的頻率選擇性;最終所設計濾波天線的相對帶寬達到26.5%，實現(xiàn)了寬頻帶，最大增益達到4.6 dBi，天線在3.7～4.7 GHz內增益起伏小于1 dBi，輻射穩(wěn)定性好，并且在工作頻帶內實現(xiàn)了較低的交叉極化水平。本文所設計的濾波天線在未來5G通信和衛(wèi)星通信領域都將擁有著廣闊的應用前景和價值。

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（責任編輯：曾 晶）