具有輻射零點的高性能WiMAX頻段微帶濾波天線設計

張 璐,朱田偉

（南京航空航天大學 電子信息工程學院，南京，211106）

具有輻射零點的高性能WiMAX頻段微帶濾波天線設計

張 璐,朱田偉

（南京航空航天大學 電子信息工程學院，南京，211106）

本文基于濾波器綜合方法，設計了一款工作在WiMAX頻段的的高性能微帶濾波天線。通過在諧振器之間引入電磁混合耦合，使得濾波天線的增益曲線在高頻帶出現了輻射零點，從而使得濾波天線具有良好的帶外抑制特性。

電磁混合耦合；輻射零點；濾波天線

0 引言

近年來，利用濾波器綜合方法設計濾波天線的思想越來越受到人們的關注[1]-[10]。在設計過程中，天線等效成串聯或并聯的RLC電路，在起輻射作用的同時，也充當濾波器最后一級諧振器和負載。這種天線和濾波器一體化設計方法可以減小系統的尺寸、重量和損耗，而且濾波天線的回波損耗、增益曲線分別與濾波器的回波損耗、插入損耗曲線類似。綜合設計的方法不僅提高了設計的成功率，還可以事先預定天線的帶外抑制能力，而且通帶內增益曲線更加平坦。

文獻[1]和[2]分別用SIW設計了平面的三階和四階濾波天線，文獻 [3-5]則用SIW實現了多層的濾波天線，文獻[6-9]利用微帶結構設計了多種多樣的濾波天線，都得到了比較好的性能。但這些濾波天線中的拓撲均采用直線拓撲，并不能產生輻射零點，因而得到的濾波天線的增益曲線通帶邊緣不夠陡峭，選擇性能不夠理想。文獻[10]在文獻[6]的基礎上對饋電方式做了改進，使整個結構完全對稱，導致在特定頻點上，輻射源相位相差180°，從而在通帶兩邊分別產生一個輻射零點。大大提高了濾波天線的選擇性。但文獻[10]的方法受結構限制，方法不夠通用。

本文從濾波器的角度出發，同樣在直線拓撲的情況下，通過在諧振器之間引入混合電磁耦合，使濾波天線在上通帶邊緣產生輻射零點，提高了濾波天線帶外抑制能力。

1 濾波器的綜合

先設計一個2階的帶通濾波器，中心頻率為3.6GHz，15dB帶寬為400MHz，回波損耗15dB，含有一個傳輸零點，為5080 MHz，所選用介質板相對介電常數為2.56，厚度為0.775mm,損耗角正切為0.0009。

混合電磁耦合產生傳輸零點的機理可以用濾波器模型來解釋。信號從諧振器1的左邊出發經歷了電和磁兩條耦合路徑后在諧振器2的右邊重新疊加，這兩條耦合路徑的相差使疊加后的信號在某些頻率為零，因此一對混合電磁耦合的諧振器對可以產生一個傳輸零點。

根據文獻[11-12]中所述的方法，基于梯度優化法得到了混合耦合濾波器的歸一化耦合矩陣。

其中ω為低通域的頻率變量，圖1給出了濾波器的結構示意圖，這里使用Ansoft公司的HFSS軟件進行仿真優化，最終確定濾波器的結構尺寸為：W=24mm，L=20.9mm W0=2.12mm，W1=0.3mm，W2=0.6mm L0=10mm，L1=12.4mm，L2=9.9mm，L3=5.2mm，g1=0.2mm，g2=0.1mm。

圖 1濾波器的結構圖

兩個諧振器的開口方向相同，使得諧振器之間的電耦合和磁耦合呈現減法效應，這種結構實現的窄帶濾波器的諧振器的間距可以很小。耦合長度L2小于四分之一波長，所以耦合以電耦合為主，傳輸零點出現在通帶上方，通過調節耦合長度L2即可調整傳輸零點的位置[12]。

圖2 濾波器的頻率響應

圖2為濾波器的仿真結果，可以看出濾波器的仿真結果與理論結果基本吻合。

3 濾波天線的設計

針對濾波器的結構，本文采用倒L天線，首先設計天線的尺寸，使其在3.6GHz頻率上諧振，并進行微帶線的寬帶調節，使其滿足濾波器的外部Q值，然后將濾波器的端口2去掉，用天線取代第二個諧振器，并適當優化。

圖3 濾波天線的結構圖

最后得到濾波天線的結構尺寸為：W=24mm，L=20.9mm，W0=2.12mm，W1=0.3mm，W2=0.6mm，W3=1mm， L0=10mm，L1=13.3mm，L2=9.9mm，L3=5.2mm，L4=12.8mm， g1=0.25mm，g2=0.1mm。

圖 4濾波天線的回波損耗和天線增益與濾波器頻率響應的對比

從圖4中可以看到，濾波天線的回波損耗曲線與濾波器的回波損耗曲線類似，天線的增益與濾波器的S21曲線類似，帶內增益2dB，比較平坦，并且在4.5GHz附近產生了輻射零點，提高了濾波天線的選擇性，同時由于接地面被大面積破壞，使得電磁混合耦合中電耦合占優的程度被削弱，使得濾波器的傳輸零點5.08GHz相比相左偏移了580MHz。

圖5給出了濾波天線的EH面非歸一化增益曲線。

4 結論

本文通過在諧振器之間引入混合電磁耦合的方法設計了一款兩階WiMAX頻段濾波天線，濾波天線的增益曲線在高頻帶出現了一個輻射零點，增強了天線的帶外抑制特性。

圖 5濾波天線的EH面天線增益

[1]Yazid Yusur.Integration of 3D high-Q filters with monopole antennas,Microwave and Optical Technology Letters,vol.56,no.4,April 2014.

[2]Yazid Yusur.Compact Low-Loss Integration of High-Q 3-D Filters With Highly Efficient Antennas,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.59,no.4,April 2011.

[3]Yazid Yusur.A Seamless Integration of 3-D Vertical Filters with Highly Efficient Slot Antennas,IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.59,no.11,November 2011.

[4]Yazid Yusur.Co-designed substrate-integrated waveguide filters with patch antennas,IET Mic rowaves,Antennas&Propagation,2013,vol.7,Iss.7, pp.493-501.

[5]Yazid Yusur.A Vertical Integration of High-Q Filters with Patch Antennas with Enhanced Bandwith and High Efficiency,Microwave Symposium Digest (MTT),2011 IEEE MTT-S International 2011,pp.1-4

[6]Chin-Kai Lin and Shyh-Jong Chung.A Compact Edge-Fed Filtering Microstrip Antennawith 0.2 dB Equal-Ripple Response，Proceedings of the 39th European Microwave Conference,2009,pp.378-380

[7]Ghaith Mansour.Design of Filtering Microstrip Antenna UsingFilter Synthesis Approach,Vol.145, 59-67,2014.

[8]Wei-Jun Wu.A New Compact Filter-Antenna for Modern WirelessCommunication Systems,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2011,pp.1131-1134.

[9]Weijun Wu.Design of A Compact Filter-Antenna using DGSStructure for Modern Wireless Communication Systems,Microwave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications (MAPE), 2013 IEEE 5th International Symposium on 2013, pp.355-358.

[10]Chin-Kai Lin.A Compact Filtering Microstrip Antenna WithQuasi-Elliptic Broadside Antenna Gain Response,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.10,2011.

[11]Smain Amari.Synthesis of Cross-Coupled Resonator FiltersUsing an Analytical Gradient-BasedOptimization Technique,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.48,no.9,September 2000.

[12]王歡.可控混合電磁耦合濾波器理論與實現.華南理工大學博士學位論文，2010.

Design of High-performance Filtering Microstrip Antennawith Radiation Zero

Zhang Lu，Zhu Tianwei
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing,210016）

In this paper, filter synthesis approach is used to design a high-performance microstrip antenna working in WiMAX frequency. By introducing the mixed electrically and magnetically coupling between two resonators,a radiation zero is produced to improve thefrequency skirtselectivity of microstrip antenna.

Mixed coupledfilter;Radiation Zero;Filtering Antenna

TN822 文獻標碼：A

張璐（1986-），女，江西吉安人，南京航空航天大學電子信息工程學院教學秘書，研究實習員，研究方向為高等教育管理研究、微波電路與子系統；

本文獲得“中央高校基本科研業務費專項資金”資助，獲得“南京航空航天大學研究生創新基地（實驗室）開放基金”資助(基金號：kfjj20150408)

朱田偉（1989-），男，江蘇泰州市，南京航空航天大學電子信息工程學院研究生在讀，研究方向為：微波電路與子系統。