寬帶低剖面微帶濾波器天線設計*

鮑敬源 吳為軍 劉 義 熊 波

(1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064)(2.中國艦船研究設計中心電磁兼容性重點實驗室 武漢 430064)

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寬帶低剖面微帶濾波器天線設計*

鮑敬源1吳為軍2劉 義2熊 波2

(1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064)(2.中國艦船研究設計中心電磁兼容性重點實驗室 武漢 430064)

論文設計了一種具有全向輻射特性的寬帶低剖面微帶濾波器天線。利用作為導納變換器的耦合線,連接微帶天線和濾波器的第二個諧振器。在該設計中,微帶天線不僅是輻射器也是帶通濾波器的最后一階諧振器。因此,減少了濾波器與天線之間的傳輸損耗。該天線具有25%的阻抗帶寬,3.5mm厚的低剖面,全向輻射方向圖和高的帶外抑制度。

微帶濾波器天線; 寬帶; 低剖面

Class Number TN92

1 引言

在過去幾十年間,無線通信系統經歷了爆發式的發展。這帶來了許多無線產品和設備的發明創造,例如無線局域網,無線電話等。單極子天線因為能在方位面提供全向方向圖,所以在無線通信系統中應用相當廣泛[1～2]。文獻[3～5]中利用同軸探針激勵圓形微帶天線激發微帶天線的高次模輻射,從而產生類似于單極子的方向圖。與傳統單極子天線相比,這種設計具有低剖面的優勢。然而,這樣設計的天線具有阻抗帶寬窄和低的帶外抑制度的缺點。近年來,一種集成設計方法應用于濾波器和天線的集成設計[6～10],可提高阻抗帶寬和帶外抑制度,但不具備低剖面外形和全向方向圖的特性。

本文提出了一種具有全向輻射特性的寬帶濾波器天線,可適用于無線通信系統,該濾波器天線還具有低剖面的外形,因此也適用于共形設計。微帶天線的貼片位于通信系統電路板上方,并與電路板共用地板,在系統電路板另一側印刷有兩個開口諧振器,一段耦合線和一段阻抗變換線。這種設計方法將濾波器天線的設計融入到通信系統電路板中。阻抗變換線用于調節微帶天線的諧振特性,從而使得天線滿足濾波器最后一階諧振器的要求。文中給出了濾波器天線的設計和仿真結果,結果顯示該濾波器天線具有寬帶,低剖面外形,全向輻射方向圖和高的帶外抑制度。

2 濾波器天線設計

圖1給出了綜合得到的三階微帶開口環諧振器濾波器,濾波器天線參考三階濾波器進行設計。利用標準的濾波器綜合技術設計一款在2.45GHz具有12%帶寬的三階帶通濾波器。濾波器的耦合系數和輸入輸出端口的外品質因數分別為：k12=k23=0.12和Qext,1=Qext,2=7.93。濾波器由三個開口諧振器組成,這些諧振器印刷在介電常數εr=2.65和厚度為0.6mm的介質板上。

圖1 參考三階濾波器

注:Rp=8.5,Rg=50,a=9.5,b=14,c=16,d=0.65,x1=4.5,x2=10.7,h=9.2,w1=2.18,w2=0.5,w3=2.18,t1=10,t2=2.82,t3=5,t4=8.77,y1=12.15,y2=8.6,s1=0.25,s2=0.5,s3=1,g1=1.2,g2=1.2,l=10.4。所有長度的單位為：mm

圖2 設計的微帶濾波器天線幾何尺寸

圖2給出了設計的微帶濾波器天線,該天線包括兩個開口諧振器,一段耦合線和一個帶有阻抗變換線的微帶天線。這個微帶天線是作為濾波器的最后一個諧振器設計的。微帶天線是利用高次模進行輻射,從而可以獲得全向輻射方向圖。圖2給出了工作在2.45GHz微帶天線外形圖。天線由中心饋電的圓形貼片和一個耦合的圓環組成。微帶天線印刷在介電常數為εr=10.2和厚度為0.8mm的介質板上,該貼片與系統電路板具有共用地板,從而將濾波器天線的設計融入進系統電路板中。將一段阻抗變換線連接到微帶天線上,用來調節微帶天線在2.45GHz的諧振特性。印刷在系統PCB板上的微帶線寬度為2.18mm,通過調節微帶線的長度t1可以使微帶天線成為濾波器的最后一個諧振器。

為了將信號從濾波器的第二個諧振器傳輸到微帶天線,在天線設計中引入耦合線作為導納變換器,從而減少濾波器和天線之間的傳輸損耗。耦合線的長度(y1+y2)近似為2.45GHz頻點的λ/4。耦合線的線寬w2和線間隙s1分別為0.5mm和0.25mm。

濾波器天線的圓形貼片用同軸探針饋電從而激發高次模輻射以獲得全向的方向圖。因此,濾波器天線具有比單極子天線低的剖面、25%阻抗帶寬和高的帶外抑制度。

3 仿真結果

為了驗證該濾波器天線的性能,使用Ansoft公司的高頻仿真軟件(HFSS.14)進行天線性能仿真驗證。圖3給出了仿真得到的反射系數和天線在+x軸方向上的天線增益,可見在整個頻帶中仿真反射系數在-15dB以內,通帶范圍內天線增益在+x軸方向變化比較平坦,帶外輻射性能降低明顯。圖4給出了天線在xz和xy平面2.45GHz的方向圖,從圖中可以看出天線方向圖具有與單極子天線類似的方向圖,在方位面具有全向的輻射特性,全向方向圖幅度的變化在1.6dB以內。在最大輻射方向上的增益為1.21dBi。

圖3 設計的微帶濾波器天線的仿真反射系數和增益曲線

(a)xz面

(b)xy面圖4 設計的微帶濾波器天線的仿真方向圖

4 結語

本文設計了一款具有全向輻射特性的寬帶低剖面微帶濾波器天線。利用一段四分之一波長的耦合線來連接微帶天線和微帶濾波諧振器,使得微帶天線在保持輻射特性的同時也起到諧振器的作用。該濾波器天線具有低剖面、寬頻帶、平坦的通帶增益和高帶外抑制度,因此,可在無線通信系統電路中集成應用。

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Design of Micro-strip Filter Antenna with Broad-band and Low-profile Characteristics

BAO Jingyuan1WU Weijun2LIU Yi2XIONG Bo2

(1.Navy Representative Office in of 701 Institute,Wuhan 430064)(2.The National Key Laboratory of EMC,China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064)

The paper presents a kind of micro-strip filter antenna of broadband and low profile characteristics with omni-directional radiation characteristics.The coupling line is used for the connection of antenna and the sencod resonator of filter,as the admittance converter.In the design,the micro-strip is not only the radiator,but also the last stage resonator of band-pass filter.Therefore,the transmission loss of the filter to antenna is reduced.The designed antenna has the bandwidth of 25%,low-profile of 3.5mm,omni-directional radiation pattern and a high band rejection.

micro-strip filter antenna,broad band,low profile

2014年8月11日,

2014年9月23日

鮑敬源,男,碩士,高級工程師,研究方向：艦船電子設備。

TN92

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.023