具有高選擇性和諧波抑制的濾波天線設(shè)計(jì)

諸葛琪皓， 張文梅， 馬潤(rùn)波， 陳新偉

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

0 引 言

隨著無線通信的發(fā)展， 越來越多的頻段被發(fā)掘和使用， 也帶動(dòng)了天線技術(shù)的發(fā)展和性能的優(yōu)化. 如何使天線在工作時(shí)具有良好的選擇性和寬的諧波抑制特性， 是大家越來越關(guān)注的問題.

近年來， 針對(duì)寬諧波抑制特性的天線和高選擇性的濾波天線的研究已經(jīng)有了大量的設(shè)計(jì)成果， 然而同時(shí)集高選擇性和寬諧波抑制特性兩者于一體的濾波天線研究還比較少. 關(guān)于諧波抑制的研究中， 文獻(xiàn)[1-2]都提出了一種采用3個(gè)矩形缺陷接地結(jié)構(gòu)(DGS)的微帶饋電縫隙天線， 能抑制3 GHz～10.5 GHz之間的二次諧波和三次諧波,有效實(shí)現(xiàn)了寬帶諧波抑制. 還有一些諧波抑制的研究設(shè)計(jì)中分別使用1對(duì)高度緊湊的開口環(huán)缺陷接地結(jié)構(gòu)[3]， 1對(duì)圓頭啞鈴形DGS[4]和小型化的U型DGS[5]， 并都在饋線上增加開路短截線， 有效地抑制了三次諧波. 文獻(xiàn)[6-7]都提出了一種在微帶線上嵌入諧振器的方法， 有效地抑制了二次和三次諧波， 實(shí)現(xiàn)了寬諧波抑制特性.

為了將濾波器和天線的功能集成在一起， 提高天線的選擇性， 很多學(xué)者對(duì)濾波天線進(jìn)行了研究. 文獻(xiàn)[8]通過在傳統(tǒng)微帶天線的貼片上刻蝕出縫隙引入輻射零點(diǎn)， 產(chǎn)生了尖銳的頻帶滾降和良好的選擇性， 具有輻射零點(diǎn)易控制， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特性. 也有一些同軸饋線天線， 采用在貼片和接地層上蝕刻開口環(huán)槽的方法來產(chǎn)生輻射零點(diǎn)[9-10]. 文獻(xiàn)[11]研究了一種用于海上通信的高選擇性濾波貼片天線陣列， 采用縫隙耦合方法實(shí)現(xiàn)了高頻段的諧波抑制， 利用分叉饋線的混合饋電效應(yīng)， 同時(shí)通過輻射貼片和寄生貼片之間的輻射抵消效應(yīng)， 引入了兩個(gè)輻射零點(diǎn)， 提高了選擇性.

本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的具有高選擇性和寬諧波抑制特性的濾波天線. 通過在輻射貼片上蝕刻一對(duì)縫隙和在地面上引入開口環(huán)DGS， 引入了兩個(gè)輻射零點(diǎn)， 提高了選擇性； 通過在接地板上蝕刻兩個(gè)啞鈴型DGS和在饋線上加載一個(gè)圓形短截線， 諧波抑制達(dá)到4.8f0. 該設(shè)計(jì)天線可以工作在2.34 GHz～2.42 GHz.

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的天線如圖 1 所示. 天線制作在相對(duì)介電常數(shù)為4.4， 厚度為1.6 mm， 介質(zhì)損耗角正切為0.02的介質(zhì)基板FR4上， 介質(zhì)板的上層是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形輻射貼片， 通過50 Ω端口連接一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的微帶線為貼片饋電， 且在距離微帶線饋電點(diǎn)d1處加載一個(gè)終端為圓形的開路短截線， 用于抑制高次諧波.

(a) 天線頂層

在貼片上蝕刻1對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的縫隙， 用于引入1個(gè)輻射零點(diǎn)， 提高通帶邊緣的選擇性， 在微帶饋線末端蝕刻出1對(duì)長(zhǎng)度為x0的縫隙用于改善天線的阻抗匹配. 介質(zhì)板的下層是接地板， 蝕刻1對(duì)矩形啞鈴型DGS和1個(gè)開口環(huán)DGS， 分別用于進(jìn)一步抑制高次諧波和引入輻射零點(diǎn). 天線各部分的尺寸參數(shù)如表 1 所示.

表 1 天線各部分的尺寸Tab.1 The parameters of antenna

1.2 寬諧波抑制特性設(shè)計(jì)

根據(jù)單個(gè)啞鈴型DGS的幅頻響應(yīng)具有低通和單極點(diǎn)帶阻特性， 在微帶饋線的下方蝕刻了2個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的DGS結(jié)構(gòu)， 且為了進(jìn)一步提高諧波抑制效果， 在微帶線上加載1個(gè)圓頭形開路短截線， 結(jié)構(gòu)如圖 2 所示. 本文設(shè)計(jì)的DGS相關(guān)尺寸參數(shù)如表 2 所示.

表 2 啞鈴型DGS的尺寸Tab.2 The parameters of dumbbell DGS

對(duì)于設(shè)計(jì)的2個(gè)啞鈴型DGS和微帶線上的混合結(jié)構(gòu)， 以二階巴特沃斯濾波器的電路為原型對(duì)圖 2 結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效電路的建模， 如圖 3 所示. 每1個(gè)DGS結(jié)構(gòu)用1個(gè)LC并聯(lián)電路等效. 圓頭形開路短截線用LC串聯(lián)電路等效. 在該等效電路中，Lp取決于矩形DGS的面積，Cp由兩個(gè)矩形DGS的間隙間距c1控制. 電容Cs由圓形金屬貼片決定， 電感Ls由寬為s1， 長(zhǎng)度為c的短截帶決定.

圖 2 DGS結(jié)構(gòu)+短截線Fig.2 Configuration of DGS and stub

圖 3 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram

圖 4 給出了在設(shè)計(jì)天線上加載不同結(jié)構(gòu)的S11參數(shù)仿真結(jié)果， 從圖中可以看出， 只加載2個(gè)DGS結(jié)構(gòu)能很好地抑制三次諧波， 并且對(duì)四次諧波有較好的抑制效果. 在9 GHz～11 GHz范圍內(nèi)， 反射系數(shù)能完全抑制到了-3 dB以上. 而只加載短截線結(jié)構(gòu)對(duì)二次諧波也有較好的抑制效果， 能將5 GHz附近的諧波抑制到-5 dB， 但是對(duì)四次諧波的抑制效果不是很明顯，S11在9 GHz～10 GHz 范圍內(nèi)有良好的抑制表現(xiàn)， 卻在10 GHz～11 GHz范圍內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)諧波抑制. 當(dāng)在天線中同時(shí)加入2個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)， 可以發(fā)現(xiàn)能很好地抑制四次以下的諧波，S11參數(shù)在3 GHz～12 GHz 均大于-3 dB， 實(shí)現(xiàn)了良好的阻帶抑制.

圖 4 S參數(shù)仿真結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of S-parameter simulation results

1.3 高選擇性設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)四次以下諧波抑制的基礎(chǔ)上， 為了提高天線的選擇性， 通過在正方形輻射貼片上蝕刻1對(duì)矩形縫隙和在接地面上蝕刻1個(gè)開口環(huán)， 分別引入了2個(gè)輻射零點(diǎn)， 提高了通帶兩邊的選擇性.

圖 5 為天線在不同結(jié)構(gòu)下的增益曲線， 從圖中可以看出， 未加入濾波結(jié)構(gòu)的天線增益曲線在工作頻帶附近選擇性較差. 當(dāng)加入了1對(duì)矩形縫隙后， 在2.32 GHz處引入了第1個(gè)輻射零點(diǎn)， 提高了下邊帶的滾降率. 在此基礎(chǔ)上通過在接地板上蝕刻1個(gè)開口環(huán)， 又在2.80 GHz處引入了第2個(gè)輻射零點(diǎn)處， 有效地提高了上邊帶選擇性.

圖 5 不同結(jié)構(gòu)下的增益曲線Fig.5 Realized gain responses at different structures

為了說明蝕刻矩形縫隙和開口環(huán)對(duì)輻射特性的影響， 圖 6 分別給出了2.45 GHz, 2.32 GHz和2.80 GHz處天線的電流分布. 從圖中可以看出， 在2.45 GHz處， 電流集中分布在貼片上且貼片上的電流方向都是同相， 因此， 天線可以正常向外輻射. 在2.32 GHz處， 兩個(gè)矩形縫隙內(nèi)側(cè)和外側(cè)的電流方向相反， 電流相互抵消， 導(dǎo)致了天線的增益降低， 天線不能正常向外輻射， 因此， 產(chǎn)生了輻射零點(diǎn). 在2.80 GHz處， 由于在接地面上蝕刻一個(gè)開口環(huán)之后， 接地面形狀的改變影響了輻射貼片上的電流分布， 輻射貼片上部的電流分布沿著垂直中軸線是鏡像對(duì)稱的， 強(qiáng)電流主要集中在貼片上部中間， 左右兩側(cè)的電流方向相反， 且輻射貼片上部的大部分弱電流與下部的大部分弱電流也反向， 相互抵消， 最終導(dǎo)致天線不能正常向外輻射， 因此， 產(chǎn)生了輻射零點(diǎn).

(a) 2.45 GHz處

2 參數(shù)分析

在天線設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)， 啞鈴型缺地陷結(jié)構(gòu)的尺寸和位置， 短截線的尺寸和位置等參數(shù)會(huì)影響諧波抑制的效果； 貼片上蝕刻的矩形縫隙長(zhǎng)度和開口環(huán)DGS的長(zhǎng)度會(huì)影響輻射零點(diǎn)的位置.

圖 7 為啞鈴型DGS矩形寬度b1對(duì)諧波抑制的影響. 在阻帶5 GHz～12 GHz中可以看到， 隨著b1的減小， 7 GHz～8 GHz處的三次諧波抑制效果越來越好， 對(duì)12 GHz處的諧波也有一定的抑制作用.

圖 7 b1對(duì)諧波抑制的影響Fig.7 The influence of b1 on harmonic suppression

圖 8 為圓頭形開路短截線長(zhǎng)度c對(duì)諧波抑制的影響. 在阻帶5 GHz～12 GHz中， 可以看到， 隨著c的減小， 對(duì)5.5 GHz～6.5 GHz處的二次諧波有很好的抑制作用， 當(dāng)c=1.8 mm時(shí)， 二次諧波被完全抑制. 同時(shí)， 在高頻段10 GHz～12 GHz 處，c越小， 四次諧波抑制效果越明顯.

圖 8 c對(duì)諧波抑制的影響Fig.8 The influence of c on harmonic suppression

圖 9 為矩形縫隙長(zhǎng)度L2對(duì)下邊緣輻射零點(diǎn)位置的影響.從圖中可以看出，L2長(zhǎng)度的變化只影響第1個(gè)輻射零點(diǎn)的頻點(diǎn)位置， 隨著L2長(zhǎng)度的增大， 輻射零點(diǎn)往低頻段移動(dòng).

圖 9 L2對(duì)輻射零點(diǎn)的影響Fig.9 The influence of L2 on radiation null

圖 10 為開口環(huán)DGS的末端長(zhǎng)度la3對(duì)上邊緣輻射零點(diǎn)位置的影響.從圖中可以看出，la3的長(zhǎng)度只會(huì)影響第2個(gè)輻射零點(diǎn)的頻點(diǎn)位置， 隨著la3的增大， 輻射零點(diǎn)往低頻段移動(dòng). 所以， 通過調(diào)節(jié)矩形縫隙的長(zhǎng)度和開口環(huán)DGS末端線的長(zhǎng)度可以獨(dú)立調(diào)節(jié)上下邊帶輻射零點(diǎn)的位置.

圖 10 la3對(duì)輻射零點(diǎn)的影響Fig.10 The influence of la3 on radiation null

3 仿真與測(cè)試結(jié)果

圖 11 為設(shè)計(jì)濾波天線的加工實(shí)物圖， 天線頂層為輻射貼片， 天線底層為接地面， 整體尺寸為60 mm×40 mm.

(a) 天線頂層

圖 12 給出了設(shè)計(jì)濾波天線仿真和測(cè)量的S11參數(shù)和增益. 從圖中可以看出， 仿真的中心頻率為2.45 GHz， 工作通帶為2.42 GHz～2.49 GHz， 測(cè)試的中心頻率為2.38 GHz， 工作通帶為2.34 GHz～2.42 GHz. 在增益曲線圖上可以觀察到， 仿真的最大增益達(dá)到1.85 dBi， 在通帶兩邊的2.32 GHz和2.80 GHz處產(chǎn)生了2個(gè)輻射零點(diǎn)， 測(cè)試的最大增益為1.41 dBi， 在通帶兩邊的2.28 GHz 和2.70 GHz處產(chǎn)生了2個(gè)輻射零點(diǎn)， 在3 GHz～12 GHz的阻帶內(nèi)， 仿真和測(cè)試結(jié)果表明對(duì)諧波都有良好的抑制效果. 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果相比， 通帶略微向低頻段移動(dòng)， 主要由于制作天線的介質(zhì)材料與仿真天線的介電常數(shù)有偏差導(dǎo)致， 但最終的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果基本吻合.

(a) 1 GHz～12 GHz

圖 13 給出了設(shè)計(jì)天線在中心頻率2.45 GHz處仿真和測(cè)量的二維輻射方向圖. 從圖中可看出， 該寬諧波抑制的濾波天線還具有低交叉極化的特性，E面的交叉極化水平低于-36.85 dBi，H面的交叉極化水平低于-25.73 dBi. 仿真和測(cè)量的主極化和交叉極化結(jié)果幾乎一致.

(a) E面方向圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種具有高選擇性和諧波抑制的濾波天線. 利用缺地陷結(jié)構(gòu)和短截線的共同作用， 實(shí)現(xiàn)了高達(dá)四倍頻的諧波抑制， 增強(qiáng)了工作頻帶外抑制的效果. 采用在貼片上蝕刻縫隙和加入開口環(huán)缺地陷結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生2個(gè)輻射零點(diǎn)， 提高了選擇性. 該濾波天線具有低剖面、 寬諧波抑制， 高選擇性和低交叉極化的特性. 設(shè)計(jì)濾波天線可應(yīng)用于無線通信中的WLAN網(wǎng)絡(luò)頻段.