一種低剖面寬帶濾波全向天線設(shè)計(jì)

向 磊，黃 奕，楊 國(guó)，肖如奇，齊世山

(1. 南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 陸軍裝備部駐南京地區(qū)第四軍事代表室，江蘇 南京 210007)

0 引言

濾波天線是一種集成了濾波功能的天線，同時(shí)具有輻射特性和濾波特性，具有減小系統(tǒng)體積，增強(qiáng)帶外抑制，降低帶外干擾的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。全向天線因其在某一平面360°方向上具有均勻的輻射特性，廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)[3-5]。因此，將濾波功能集成到全向天線中，設(shè)計(jì)出濾波全向天線，引起了許多學(xué)者的興趣[6-8]。

目前濾波天線的設(shè)計(jì)方法主要有2種。第1種方法是濾波器與天線直接級(jí)聯(lián)，將天線輻射體視為濾波器電路的最后一級(jí)諧振器進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，但其會(huì)增大天線整體的尺寸，并引入額外的插入損耗[9-10]。第2種是在天線的饋電網(wǎng)絡(luò)或輻射體引入寄生結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生帶外輻射零點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)天線的濾波響應(yīng)，這種方法避免了濾波電路的額外損耗，同時(shí)沒(méi)有增大天線的體積[11-13]。

本文以偶極子貼片天線為原始天線，在其饋電網(wǎng)絡(luò)中引入折疊槽線枝節(jié)，使得通帶外產(chǎn)生了2個(gè)輻射零點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種低剖面寬帶濾波偶極子天線，同時(shí)具有良好的寬帶帶通濾波響應(yīng)和全向輻射特性，在無(wú)線通信系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 原始天線

本文所提出的寬帶濾波偶極子天線以圖1所示的原始天線為原型[8]，在其上逐步做濾波設(shè)計(jì)。圖1中，在介質(zhì)基板的頂層，印刷有微帶饋電線和微帶線連接的矩形貼片偶極子；在介質(zhì)基板的底層，印刷有矩形金屬接地板，其中心處開(kāi)有半波長(zhǎng)的縫隙，可視為半波槽線。電磁波經(jīng)微帶饋電線耦合到半波槽線中，再經(jīng)槽線-微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)激勵(lì)矩形貼片偶極子。

圖1 原始天線Fig.1 Original antenna

微帶饋電線、介質(zhì)基板底部的半波槽線、槽線-微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)組成的饋電網(wǎng)絡(luò)不僅為貼片偶極子提供了180°的相位差，同時(shí)也起到阻抗匹配的作用[8,14]。

圖2為原始天線仿真的S11參數(shù)及增益曲線圖。由圖2可知，天線在通帶內(nèi)存在2個(gè)諧振模式，貼片偶極子諧振模式和半波槽線諧振器模式，因此具有較寬的工作頻段，其相對(duì)帶寬為28.3% (3.31～4.40 GHz，S11<-10 dB)。通帶內(nèi)增益變化平坦，約為2.7 dBi，但是天線增益在帶外下降緩慢，沒(méi)有明顯的濾波響應(yīng)。

圖2 原始天線的S11參數(shù)及增益曲線Fig.2 S11and gain of the original antenna

1.2 參考天線

為了使天線增益在上阻帶出現(xiàn)濾波響應(yīng)，在半波槽線的中部加載了一對(duì)L形槽線枝節(jié)，得到的參考天線如圖3所示。圖4比較了參考天線與原始天線的S11參數(shù)及增益曲線。由圖4可知，與原始天線相比，L形槽線枝節(jié)不僅改善了通帶上邊緣的頻率選擇性，同時(shí)也在上阻帶4.84 GHz處引入了一個(gè)輻射零點(diǎn)，明顯增強(qiáng)了上阻帶的帶外抑制。

圖3 參考天線Fig.3 Reference antenna

圖4 參考天線與原始天線的S11參數(shù)及增益曲線Fig.4 S11 and gain of the reference antenna and original antenna

為了進(jìn)一步研究L形槽線枝節(jié)的作用，改變L形槽線枝節(jié)的長(zhǎng)度，掃描仿真，增益變化曲線如圖5所示?？芍椛淞泓c(diǎn)的位置可由L形槽線枝節(jié)獨(dú)立控制，當(dāng)槽線枝節(jié)長(zhǎng)度增加時(shí)，輻射零點(diǎn)向低頻移動(dòng)。

圖5 參考天線在L形槽線枝節(jié)不同長(zhǎng)度下的增益曲線Fig.5 Gain of the reference antenna with different lengths of the L-shaped slot stubs

1.3 寬帶濾波偶極子天線

圖3所示的參考天線在下阻帶的增益變化仍然緩慢，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了增強(qiáng)偶極子貼片天線在下阻帶的濾波響應(yīng)，在L形槽線枝節(jié)上再加載一個(gè)長(zhǎng)度更長(zhǎng)的槽線枝節(jié)，使其在下阻帶產(chǎn)生一個(gè)新的輻射零點(diǎn)。為了減小槽線枝節(jié)所占據(jù)的空間，對(duì)其進(jìn)行彎曲折疊，如圖6所示。值得注意的是，多次折疊的槽線枝節(jié)仍需滿(mǎn)足與貼片偶極子一致的對(duì)稱(chēng)性，這可減小槽線枝節(jié)對(duì)天線輻射性能的影響。

圖6 寬帶濾波偶極子天線Fig.6 Broadband ltering dipole antenna

同樣，圖7比較了寬帶濾波偶極子天線與參考天線的S11參數(shù)及增益曲線。

圖7 寬帶濾波偶極子天線與參考天線的S11參數(shù)及增益曲線Fig.7 S11 and gain of the broadband filtering dipole antenna and reference antenna

由圖7可知，折疊槽線枝節(jié)在通帶內(nèi)引入了2個(gè)新的諧振點(diǎn)，增加了偶極子貼片天線的工作帶寬，提高了通帶邊緣的頻率選擇性；相比于L形槽線枝節(jié)，新的折疊槽線枝節(jié)保留了上阻帶的輻射零點(diǎn)，同時(shí)在下阻帶引入了一個(gè)新的輻射零點(diǎn)，增強(qiáng)了下阻帶的帶外抑制，這使得天線增益曲線表現(xiàn)出良好的帶通濾波效果，且通帶與阻帶的過(guò)渡范圍較窄。

對(duì)較長(zhǎng)槽線枝節(jié)的長(zhǎng)度LL進(jìn)行參數(shù)掃描，結(jié)果如圖8所示。隨著長(zhǎng)度LL的增加，下阻帶輻射零點(diǎn)向低頻移動(dòng)，而上阻帶輻射零點(diǎn)的位置并不改變，充分表明下阻帶輻射零點(diǎn)是由較長(zhǎng)的槽線枝節(jié)產(chǎn)生，且可由其獨(dú)立控制，這有利于設(shè)計(jì)實(shí)際所需的工作帶寬和工作頻段。

圖8 寬帶濾波偶極子天線在折疊槽線枝節(jié)不同長(zhǎng)度下的增益曲線Fig.8 Gain of the broadband filtering dipole antenna with different lengths of the fold slot stubs

2 天線尺寸參數(shù)

圖9為本文提出的寬帶濾波偶極子天線的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。

(a)俯視圖

利用高頻電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，其中矩形金屬地板上的所有槽線寬度均為0.2 mm。天線整體尺寸40 mm×32 mm，介質(zhì)基板選用厚度0.635 mm的Rogers 6010，其介電常數(shù)為10.8。

表1 寬帶濾波偶極子天線的尺寸參數(shù)

Tab.1 Structural parameters of the broadband ltering dipole antenna 單位：mm

表1 寬帶濾波偶極子天線的尺寸參數(shù)

參數(shù)L1L2L3L4L5L6L7數(shù)值7.03.911.914.010.820.02.0參數(shù)W1W2W3W4DL1DL2SL1數(shù)值0.50.66.011.82.73.82.6參數(shù)SL2SL3SL4SL5SL6GLGW數(shù)值1.72.24.23.26.032.012.0

3 天線仿真結(jié)果

最終，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的寬帶濾波偶極子天線，仿真的S11參數(shù)及增益特性如圖10所示。其相對(duì)帶寬為39.1% (3.10～4.61 GHz，S11<-10 dB)，通帶內(nèi)增益變化平坦，約為2.7 dBi；通帶外2.86,4.84 GHz處存在2個(gè)輻射零點(diǎn)，帶外抑制大于15 dB。由于輻射零點(diǎn)的位置十分靠近通帶邊緣，增益曲線通帶與阻帶之間的過(guò)渡帶較窄，故濾波偶極子天線表現(xiàn)出良好的頻率選擇性及帶通濾波響應(yīng)。

圖10 寬帶濾波偶極子天線的S11參數(shù)及增益Fig.10 S11 and gain of the broadband filtering dipole antenna

圖11為寬帶濾波偶極子天線在4 GHz的輻射方向圖，可知，引入的對(duì)稱(chēng)折疊槽線枝節(jié)對(duì)原始偶極子天線輻射性能影響較小，寬帶濾波偶極子天線保持著均勻的全向輻射特性和低交叉極化特性。

圖11 寬帶濾波偶極子天線在4 GHz的方向圖Fig.11 Radiation patterns of the broadband filtering dipole antenna at 4 GHz

4 結(jié)束語(yǔ)

從偶極子貼片天線出發(fā)，將一對(duì)對(duì)稱(chēng)的折疊槽線枝節(jié)加載到其饋電網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了寬帶偶極子濾波天線的設(shè)計(jì)。折疊槽線枝節(jié)在帶內(nèi)引入了2個(gè)新的諧振點(diǎn)，展寬了天線的工作帶寬；同時(shí)在帶外產(chǎn)生了2個(gè)輻射零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了天線的帶通濾波響應(yīng)。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的寬帶濾波偶極子天線，其相對(duì)帶寬39.1%，帶內(nèi)增益變化平坦，約為2.7 dBi，在H面具有均勻的全向輻射特性，帶外輻射抑制大于15 dB。該天線具有低剖面、高頻率選擇性、尺寸較小的特點(diǎn)。