一款小型化具有濾波特性的Г型天線(xiàn)設(shè)計(jì)

華陽(yáng)，韓超

（海軍駐大連426廠(chǎng)軍事代表室，遼寧 大連 430000）

在過(guò)去的數(shù)十年中，無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域已經(jīng)經(jīng)歷了革命性的發(fā)展，越來(lái)越要求無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)具有小型化、低損耗、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，將無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)射頻前端，兩個(gè)尺寸較大的無(wú)源器件——天線(xiàn)和濾波器，集成設(shè)計(jì)為一個(gè)模塊，同時(shí)具備輻射和濾波特性就顯得特別重要。

現(xiàn)已有一些關(guān)于濾波器與天線(xiàn)集成設(shè)計(jì)為一個(gè)模塊的文獻(xiàn)[1-4]。文獻(xiàn)[1]中，在喇叭天線(xiàn)和波導(dǎo)饋線(xiàn)之間引入 Ω型金屬結(jié)構(gòu)后，喇叭天線(xiàn)獲得了濾波特性；在文獻(xiàn)[2]中，在微帶天線(xiàn)引入短路探針后，使微波天線(xiàn)出現(xiàn)了具有傳輸零點(diǎn)的濾波特性；在參考文獻(xiàn)[3]和[4]中，在濾波器和天線(xiàn)之間引入阻抗變換結(jié)構(gòu)，也獲得了濾波特性，但是新引入的阻抗變換結(jié)構(gòu)增加了整個(gè)模塊的復(fù)雜性，也使模塊的質(zhì)量、尺寸和損耗更大。在這些文獻(xiàn)中，雖然通過(guò)引入不同的結(jié)構(gòu)，使天線(xiàn)獲得了濾波特性，但是在設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用綜合設(shè)計(jì)方法，也沒(méi)有考慮濾波器或天線(xiàn)的特性，因此這些方法并不具備通用性。近年來(lái)，綜合設(shè)計(jì)方法慢慢引入到濾波器和天線(xiàn)集成設(shè)計(jì)中[5-10]。天線(xiàn)具有較好的帶外抑制特性，但是尺寸仍然比較大。

文中設(shè)計(jì)了一款小型化的具有濾波特性的 Г型天線(xiàn)。利用綜合設(shè)計(jì)方法，將二個(gè)發(fā)夾型諧振器、一段耦合線(xiàn)和 Г型天線(xiàn)集成設(shè)計(jì)為具有濾波特性的 Г型天線(xiàn)。該設(shè)計(jì)中Г型天線(xiàn)按照濾波器諧振器要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而取代濾波器最后一個(gè)諧振器形成濾波器天線(xiàn)，這樣Г型天線(xiàn)不僅起輻射作用，同時(shí)還是濾波器的一個(gè)諧振器。這樣極大縮減了濾波器與天線(xiàn)集成設(shè)計(jì)的尺寸和傳輸損耗。給出了該濾波器天線(xiàn)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，結(jié)果顯示，濾波器天線(xiàn)具有好的濾波器性能和輻射特性。

1 濾波器Г型天線(xiàn)設(shè)計(jì)

在開(kāi)展濾波器與微帶天線(xiàn)集成綜合設(shè)計(jì)之前，首先需要綜合設(shè)計(jì)一款三階發(fā)夾型濾波器，如圖 1所示。利用濾波器綜合方法設(shè)計(jì)一款0.1 dB等波紋和在2.45 GHz阻抗帶寬為8.6%的三階切比雪夫帶通濾波器[11]。諧振器間的耦合系數(shù)為M12=M12=0.0791，輸入/輸出端的外部品質(zhì)因數(shù)為 Qext,1=Qext,2=12。該濾波器印制在厚度為0.6 mm、介電常數(shù)為2.65的介質(zhì)板上。

圖2所示的濾波器天線(xiàn)由二個(gè)發(fā)夾型諧振器，一段耦合線(xiàn)和Г型天線(xiàn)組成。這種集成設(shè)計(jì)中，在濾波器和天線(xiàn)之間不需要引入額外的阻抗變換結(jié)構(gòu)。因此，在濾波器和天線(xiàn)之間基本上沒(méi)有損耗，同時(shí)尺寸也得到極大的縮減。為實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)與濾波器的集成設(shè)計(jì)，且天線(xiàn)還作為濾波器的一個(gè)諧振器，因此天線(xiàn)的品質(zhì)因數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足濾波器要求，天線(xiàn)的品質(zhì)因數(shù)可通過(guò)式（1）計(jì)算[12]：

式中：Zin為天線(xiàn)饋電點(diǎn)處的輸入阻抗；0ω為天線(xiàn)諧振頻率。天線(xiàn)的地板尺寸為32 mm×40 mm。天線(xiàn)的諧振頻率由Г型天線(xiàn)總長(zhǎng)度 x1+x2+x3決定。天線(xiàn)的總長(zhǎng)為27 mm，大約為中心頻率2.45 GHz所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4。QA取決于水平帶線(xiàn)的長(zhǎng)度x1，這是因?yàn)樘炀€(xiàn)電流主要分布在水平帶狀線(xiàn)上。最終 x1，x2和 x3的長(zhǎng)度分別為 10，13.5，3.5 mm，此時(shí)天線(xiàn)的Qext,1=Qext,2=12。

為了連接Г型天線(xiàn)和發(fā)夾型諧振器，設(shè)計(jì)了耦合結(jié)構(gòu)，它起著導(dǎo)納變換器的作用。根據(jù)天線(xiàn)與濾波器諧振器的具體結(jié)構(gòu)，選擇平行耦合雙導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)作為耦合結(jié)構(gòu)。耦合結(jié)構(gòu)及其等效電路如圖3所示。

利用奇偶模分析法對(duì)平行耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。為了使兩種結(jié)構(gòu)有相同的電性能，耦合線(xiàn)與其等效電路的 ABCD矩陣應(yīng)該相等。對(duì)于耦合線(xiàn)可以先寫(xiě)出 Z矩陣，利用Z矩陣和ABCD矩陣的關(guān)系求得ABCD矩陣。等效電路的 ABCD矩陣可以通過(guò)三個(gè)矩陣相乘的形式得到（等效電路里的微帶線(xiàn)、導(dǎo)納變換器與微帶線(xiàn)對(duì)應(yīng)的 ABCD矩陣）[13]。讓耦合線(xiàn)與等效電路的 ABCD相等，在電長(zhǎng)度θ=π/2時(shí)，可以推出如下關(guān)系：

式中：C1和C2為低通原型濾波器元件值；Z0e和Z0o為奇模和偶模阻抗。在給定Z0的情況下，可求得平行耦合線(xiàn)的物理尺寸。耦合線(xiàn)的長(zhǎng)度(L5+L6)大約為中心頻率2.45 GHz波長(zhǎng)的1/4。耦合線(xiàn)的線(xiàn)寬和線(xiàn)間距分別為0.5 mm 和0.4 mm。

集成的三階濾波器天線(xiàn)的等效電路如圖4所示。可以看出，天線(xiàn)起諧振的同時(shí)還起輻射作用，平行耦合線(xiàn)等效為導(dǎo)納變換器，將諧振器與天線(xiàn)相連。除此之外，圖3也給出了用于與濾波器進(jìn)行集成的Г型天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與尺寸。用于仿真軟件 HFSS 17進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終優(yōu)化好的尺寸見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

2 仿真結(jié)果

使用 HFSS 17對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)好的濾波器天線(xiàn)進(jìn)行仿真分析，圖5給出了濾波器天線(xiàn)仿真反射系數(shù)和增益曲線(xiàn)。在整個(gè)頻帶內(nèi)，仿真反射系數(shù)在-10 dB以下，仿真帶寬為6.5% （2.38～2.54 GHz）。圖5還給出了仿真增益隨頻率變化曲線(xiàn)，可以看出，濾波器天線(xiàn)在通帶內(nèi)增益變化很平緩，最大差異為0.92 dB；在通帶外增益快速下降，在2.15 GHz和 2.75 GHz處增益分別為-15 dBi和-25 dBi，這說(shuō)明濾波器天線(xiàn)具有良好的帶外抑制特性。圖 5為濾波器天線(xiàn)在2.45 GHz xz面 和 xy面的仿真方向圖。xz面的方向圖幾乎是全向的，其最大增益為2.19 dBi。

3 結(jié)論

利用綜合設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一款小型化的具有濾波特性的Г型天線(xiàn)。一段1/4波長(zhǎng)的耦合線(xiàn)作為導(dǎo)納變換器，用于連接Г型天線(xiàn)和濾波器發(fā)夾型諧振器，這樣 Г型天線(xiàn)在起輻射作用的同時(shí)也是濾波器的一個(gè)諧振器。設(shè)計(jì)的濾波器天線(xiàn)具有類(lèi)似傳統(tǒng)帶通濾波器一樣良好的頻率選擇特性，通帶內(nèi)天線(xiàn)增益變化平緩，帶外具有較好的抑制特性。濾波器天線(xiàn)電性能展現(xiàn)出良好的濾波和輻射特性，很適合用于現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的射頻前端。