一種低剖面寬帶濾波全向天線設計

向 磊，黃 奕，楊 國，肖如奇，齊世山

(1. 南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094；2. 陸軍裝備部駐南京地區第四軍事代表室，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，同時具有輻射特性和濾波特性，具有減小系統體積，增強帶外抑制，降低帶外干擾的優點[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，廣泛應用于無線通信系統[3-5]。因此，將濾波功能集成到全向天線中，設計出濾波全向天線，引起了許多學者的興趣[6-8]。

目前濾波天線的設計方法主要有2種。第1種方法是濾波器與天線直接級聯，將天線輻射體視為濾波器電路的最后一級諧振器進行綜合設計，但其會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絡或輻射體引入寄生結構，產生帶外輻射零點，以實現天線的濾波響應，這種方法避免了濾波電路的額外損耗，同時沒有增大天線的體積[11-13]。

本文以偶極子貼片天線為原始天線，在其饋電網絡中引入折疊槽線枝節，使得通帶外產生了2個輻射零點，設計了一種低剖面寬帶濾波偶極子天線，同時具有良好的寬帶帶通濾波響應和全向輻射特性，在無線通信系統中具有廣泛的應用前景。

1 天線結構設計

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計。圖1中，在介質基板的頂層，印刷有微帶饋電線和微帶線連接的矩形貼片偶極子；在介質基板的底層，印刷有矩形金屬接地板，其中心處開有半波長的縫隙，可視為半波槽線。電磁波經微帶饋電線耦合到半波槽線中，再經槽線-微帶過渡結構激勵矩形貼片偶極子。

圖1 原始天線Fig.1 Original antenna

微帶饋電線、介質基板底部的半波槽線、槽線-微帶過渡結構組成的饋電網絡不僅為貼片偶極子提供了180°的相位差，同時也起到阻抗匹配的作用[8,14]。

圖2為原始天線仿真的S11參數及增益曲線圖。由圖2可知，天線在通帶內存在2個諧振模式，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，其相對帶寬為28.3% (3.31～4.40 GHz，S11<-10 dB)。通帶內增益變化平坦，約為2.7 dBi，但是天線增益在帶外下降緩慢，沒有明顯的濾波響應。

圖2 原始天線的S11參數及增益曲線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濾波響應，在半波槽線的中部加載了一對L形槽線枝節，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S11參數及增益曲線。由圖4可知，與原始天線相比，L形槽線枝節不僅改善了通帶上邊緣的頻率選擇性，同時也在上阻帶4.84 GHz處引入了一個輻射零點，明顯增強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S11參數及增益曲線Fig.4 S11 and gain of the reference antenna and original antenna

為了進一步研究L形槽線枝節的作用，改變L形槽線枝節的長度，掃描仿真，增益變化曲線如圖5所示。可知輻射零點的位置可由L形槽線枝節獨立控制，當槽線枝節長度增加時，輻射零點向低頻移動。

圖5 參考天線在L形槽線枝節不同長度下的增益曲線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，需要進一步優化設計。為了增強偶極子貼片天線在下阻帶的濾波響應，在L形槽線枝節上再加載一個長度更長的槽線枝節，使其在下阻帶產生一個新的輻射零點。為了減小槽線枝節所占據的空間，對其進行彎曲折疊，如圖6所示。值得注意的是，多次折疊的槽線枝節仍需滿足與貼片偶極子一致的對稱性，這可減小槽線枝節對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，折疊槽線枝節在通帶內引入了2個新的諧振點，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，新的折疊槽線枝節保留了上阻帶的輻射零點，同時在下阻帶引入了一個新的輻射零點，增強了下阻帶的帶外抑制，這使得天線增益曲線表現出良好的帶通濾波效果，且通帶與阻帶的過渡范圍較窄。

對較長槽線枝節的長度LL進行參數掃描，結果如圖8所示。隨著長度LL的增加，下阻帶輻射零點向低頻移動，而上阻帶輻射零點的位置并不改變，充分表明下阻帶輻射零點是由較長的槽線枝節產生，且可由其獨立控制，這有利于設計實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不同長度下的增益曲線Fig.8 Gain of the broadband filtering dipole antenna with different lengths of the fold slot stubs

2 天線尺寸參數

圖9為本文提出的寬帶濾波偶極子天線的詳細結構圖。

(a)俯視圖

利用高頻電磁仿真軟件HFSS優化設計，最終得到的尺寸設計參數如表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，介質基板選用厚度0.635 mm的Rogers 6010，其介電常數為10.8。

表1 寬帶濾波偶極子天線的尺寸參數

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

參數L1L2L3L4L5L6L7數值7.03.911.914.010.820.02.0參數W1W2W3W4DL1DL2SL1數值0.50.66.011.82.73.82.6參數SL2SL3SL4SL5SL6GLGW數值1.72.24.23.26.032.012.0

3 天線仿真結果

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

圖10 寬帶濾波偶極子天線的S11參數及增益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，引入的對稱折疊槽線枝節對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 結束語

從偶極子貼片天線出發，將一對對稱的折疊槽線枝節加載到其饋電網絡中，實現了寬帶偶極子濾波天線的設計。折疊槽線枝節在帶內引入了2個新的諧振點，展寬了天線的工作帶寬；同時在帶外產生了2個輻射零點，實現了天線的帶通濾波響應。仿真結果表明，設計的寬帶濾波偶極子天線，其相對帶寬39.1%，帶內增益變化平坦，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。