一種新型低剖面寬帶端射濾波天線設計

崔林威，楊 俊

(中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

在無線移動通信設備快速發展成熟的今天，通信設備正不斷向著體積小型化、功能集成化、應用場景多元化的方向發展。濾波天線作為一種體制新穎的一體化多功能微波元器件，受到大批國內外微波技術研究人員的關注。濾波天線的設計思路是在保留原有天線輻射特性的前提條件下將天線輻射元部分和濾波電路部分作為一個整體微波元件設計。這種設計方法由于沒有濾波器和天線單元之間的阻抗匹配網絡，在一定程度上不但大幅減小了整體尺寸，而且降低了整個系統的插入損耗。

從大量關于濾波天線設計的研究文獻中大致可以總結出2條實現路徑。一種設計思路是基于微帶濾波器的綜合設計方法，這種設計方案的核心思想是將天線輻射元集成到濾波器多級諧振電路的最后一級諧振電路，這種方法更側重于對帶通濾波器的設計。其中，文獻[4]通過在貼片天線的饋電網絡部分集成U型微帶結構以及蝕刻工字形開槽，從而實現具備濾波特性的偶極子天線。文獻[5]通過將微帶直接加載到準Yagi天線的饋線部分，設計得到一種基于微帶支節加載的濾波天線。文中的實驗結果顯示，在通頻帶上下頻帶邊緣均具有出色的頻率選擇效果。另一種思路是基于天線的綜合設計方法，它主要是在天線輻射表面或饋線中加載寄生元件產生輻射零點，通過這種方法可以快速實現窄帶天線以及具有陷波特性的超寬帶濾波天線設計，比如在微帶貼片天線上引入縫隙能夠輕松實現諧波抑制等。第1種基于濾波器綜合設計的方法可以在任何頻段靈活設計，但會占用相對較大的尺寸。第2種設計方法具有體積緊湊的優點，但是如果期望的頻帶或其他規格改變，寄生元件難以進行綜合調諧。

本文在文獻[5]設計的基礎上，使用基于缺陷地結構的帶阻濾波器代替帶通濾波器實現高頻部分的頻率選擇性。其主要綜合了天線和帶阻濾波器的設計思路，利用缺陷地結構(DGS)的高阻特性，在微帶天線的反射金屬地上蝕刻方形互補開口諧振環(CSRR)缺陷地圖案，最終巧妙設計出一種新型端射濾波天線。該濾波天線在通信雷達制導領域將會擁有廣闊的應用前景。

1 開口諧振環DGS設計

1996年，以Pendry為首的研究團隊在研究中發現了周期性排列的開口諧振環表現為負的磁導率這一重要的物理特性。本文中要介紹的是一種在金屬地上刻蝕開口諧振環圖案的DGS結構。由于這種DGS結構在物理參數上表現為阻抗的不連續性，因此呈現出很強的帶阻效果。圖1為其三維結構模型以及等效電路圖。

圖1 開口諧振方形環DGS單元結構及特性分析

在縫隙寬度和相鄰縫隙之間距離不變的前提下，開口諧振環縫隙總長度4-直接決定了等效電感的大小，開口寬度的取值決定了等效電容的大小。根據圖中的參數仿真結果，并聯回路的阻抗值可以表示為：

(1)

電容的阻抗值可以寫成：

(2)

當+=0時，并聯支路諧振，諧振頻率表示為：

(3)

根據上面對CSRR-DGS結構單元的物理機理分析和仿真計算，方形環縫隙外環的周長和縫隙之間的間距決定了等效電路中電感和電容的取值大小。并聯支路發生諧振的頻率決定了帶阻濾波單元中心頻點的大小。

2 天線結構設計

天線的平面結構如圖2所示，非平衡的微帶巴倫作為端射天線的饋線和一對對稱的L型偶極子天線分別位于介質基板的上下表面。介質基板的底面是一層刻蝕著CSRR圖案的缺陷地結構單元。介質基板選用成本較低的F4B板材，其相對介電常數2.65，厚度為1 mm，損耗角正切為0.006。通過在商用電磁仿真工具HFSS15.0中仿真優化得到天線在最佳濾波和輻射特性的詳細結構尺寸(單位：mm)：

圖2 基于方形CSRR-DGS的濾波天線平面圖

=55 mm,=35 mm,=23 mm,=2.63 mm,=2 mm,=1.3 mm,=0.17 mm,=0.74 mm,=32 mm,=8.3 mm,=13.2 mm,=5.5 mm,=18 mm,=0.4 mm。

3 實驗仿真結果與分析

圖3給出的是未加載任何濾波結構的端射天線和本文設計的濾波天線回波損耗的對比結果。虛線表示未加載任何支節的端射天線的回波損耗，在3.6～4.7 GHz的頻帶范圍內，其回波損耗低于-10 dB；實線是加載CSRR-DGS的濾波天線的回波損耗的仿真結果，該濾波天線在3.6～5.4 GHz的寬帶范圍內均滿足-10 dB以下，濾波結構的引入使得天線的相對帶寬拓寬到40%。該濾波天線在3.8 GHz、4.3 GHz、5.3 GHz均發生了顯著的諧振，而且在通帶的上邊緣也變得非常陡峭。因此，多模諧振不但可以有效拓寬天線的工作帶寬，而且可以使天線獲得良好的帶外抑制效果，抗干擾性更強。

圖3 本文設計的濾波天線與原天線回波損耗仿真結果

圖4是本文設計的濾波天線和未加載任何支節的端射天線增益曲線隨頻率變化的結果。其中虛線表示原端射天線增益隨頻率變化的曲線；實線表示本文設計的濾波天線增益隨頻率變化的曲線。與原端射天線的增益曲線相比，該濾波天線的增益隨頻率的變化更為平緩。該濾波天線在4.7 GHz和5.3 GHz的增益分別取得最大值和最小值，最大增益為5.01 dBi；在天線的整個工作帶寬內，該濾波天線的平均增益約為4.45 dBi，最大增益與最小增益的插值約為1.1 dBi，輻射較為穩定。增益曲線的結果顯示本文設計的濾波天線工作帶寬范圍內，帶外抑制約為-17 dBc，帶外抑制良好。

圖4 本文設計的濾波天線與原天線增益曲線的仿真結果

4 方向圖分析

圖5為本文所設計的濾波天線分別在3.8 GHz、4.3 GHz、5.3 GHz等不同諧振頻點處E面和H面的方向圖，天線增益的最大值基本穩定在軸線方向，增益最大值約為5.0 dBi。

圖5 所設計濾波天線不同諧振頻率處E面和H面的方向圖

5 對比分析

圖6是本文設計的濾波天線與參考文獻[5]中濾波天線的對比分析結果。虛線代表的是未加載任意支節的端射天線的回波損耗隨頻率變化的曲線；帶有三角形標記的實線是本文設計的寬帶濾波天線的回波損耗曲線；圓形標記的實線是基于支節加載的濾波天線回波損耗的仿真結果。根據圖中3條曲線對比結果，本文設計的濾波天線的阻抗帶寬基本覆蓋3.6～5.4 GHz的頻率范圍。與文獻[5]和原端射天線相比，該濾波天線的阻抗帶寬更寬，達到了40%。而且本文設計的濾波天線在通頻帶的下降邊緣和上升邊緣都非常陡峭，帶外抑制特性更好。因此，本文設計的基于CSRR-DGS的濾波天線具有更寬的帶寬和更佳的帶外抑制效果。

圖6 本文所設計的濾波天線與參考天線的對比結果

6 結束語

本文提出一種基于CSRR-DGS的新型端射濾波天線，通過在天線的金屬地上蝕刻一組對稱的方形互補開口諧振環，不僅提高了天線的通帶選擇性，而且利用缺陷地結構的高阻特性銳化了通帶到阻帶的過渡邊緣；與加載帶通濾波器的濾波天線相比，由于選擇的帶阻濾波器的中心頻率略高于帶通濾波器的中心頻率，因此本文設計的濾波天線還擁有更小的結構尺寸。