一種應(yīng)用于2.4 GHz的寬帶差分微帶濾波天線

王鵬飛，張海福，朱海波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著電子對(duì)抗裝備的快速發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)天線提出了更高的要求。由于微帶天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電子對(duì)抗系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于射頻前端有時(shí)采用差分信號(hào)的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，差分饋電的微帶天線顯得格外重要[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了許多天線與濾波器的協(xié)同設(shè)計(jì)方案。相較于傳統(tǒng)的天線與濾波器單獨(dú)設(shè)計(jì)的思路，協(xié)同設(shè)計(jì)濾波天線，大大降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，減小了插損，降低了加工成本，這給無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。對(duì)于微帶濾波天線而言，可以把設(shè)計(jì)方案歸結(jié)于以下幾種：第一種，將微帶天線作為濾波器的最后一級(jí)諧振結(jié)構(gòu)和負(fù)載。采用這種設(shè)計(jì)思路可以大大降低濾波天線的整體尺寸，同時(shí)天線具有良好的濾波特性。如文獻(xiàn)[2]提出的差分饋電的濾波天線陣列以及文獻(xiàn)[3]的單天線。第二種，在原有的天線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，加載特定的濾波結(jié)構(gòu)，對(duì)特定頻段的信號(hào)進(jìn)行陷波處理，如文獻(xiàn)[4]在印刷單極子天線的饋線中加載開(kāi)口環(huán)諧振結(jié)構(gòu)，使得天線帶內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)陷波頻點(diǎn)，對(duì)特定頻率的干擾信號(hào)進(jìn)行濾除。第三種，在天線結(jié)構(gòu)的前端直接加載濾波器結(jié)構(gòu)，將濾波結(jié)構(gòu)與天線進(jìn)行協(xié)同仿真設(shè)計(jì)，避免了使用同軸電纜連接時(shí)引入的阻抗突變與插損。文獻(xiàn)[5]采用這種設(shè)計(jì)方案，保留了設(shè)計(jì)的靈活性，天線與濾波器一定程度上可以分開(kāi)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)難度較小，易于控制。其設(shè)計(jì)的天線為寬帶PIFA天線，在天線前端直接加載了文獻(xiàn)[6]的濾波器，既保證了天線的帶寬，也實(shí)現(xiàn)了濾波特性的集成。在寬帶天線設(shè)計(jì)中，使用第三種設(shè)計(jì)方案更加便捷，因此本文也使用了該分立設(shè)計(jì)方法。

傳統(tǒng)的微帶天線工作帶寬一般較窄。將微帶天線作為濾波結(jié)構(gòu)的最后一級(jí)諧振器與負(fù)載的設(shè)計(jì)方案，對(duì)天線的帶寬提升不大，因此采用這種方案設(shè)計(jì)的天線往往工作在點(diǎn)頻，不能夠滿足系統(tǒng)的要求[7-9]。為了提升天線的工作帶寬，最直接的方式就是增大天線的剖面高度，將天線輻射體與地板分開(kāi)，在中間填充空氣作為介質(zhì)，通過(guò)這種方式可以大大增加天線的工作帶寬[10-11]。然而使用這種方式拓展天線工作帶寬的同時(shí)也嚴(yán)重增加了天線的剖面高度與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，破壞了微帶天線原有的緊湊結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)的天線在未加載額外的空氣介質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用寄生貼片加載的方式對(duì)天線的工作帶寬進(jìn)行了拓展，其工作帶寬拓展到傳統(tǒng)差分微帶天線的1.71倍，且整體的剖面高度未發(fā)生變化，為0.027λ。天線的濾波特性是通過(guò)加載一三階平行耦合微帶濾波器實(shí)現(xiàn)的，采用這種設(shè)計(jì)方案，可以對(duì)天線與濾波器分開(kāi)設(shè)計(jì)，保留了設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)也保證了天線的工作帶寬。并且多模工作的微帶天線其等效模型較為復(fù)雜[12]，這也是本文使用分離設(shè)計(jì)的一個(gè)原因。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線由主輻射貼片與寄生輻射貼片構(gòu)成，寄生貼片共面地加載在主輻射貼片的兩條非輻射邊沿外，通過(guò)主輻射貼片與寄生貼片之間的縫隙對(duì)寄生貼片進(jìn)行耦合激勵(lì)。天線采用底饋的方式進(jìn)行饋電，兩個(gè)饋電點(diǎn)的位置如圖1(a)所示。天線的地板位于中間層，通過(guò)短路探針，將頂層與底層的饋電網(wǎng)絡(luò)連接，如圖1(b)所示。天線印刷在介電常數(shù)為2.65、厚度為2.4 mm的F4B介質(zhì)基板上，底層的饋電網(wǎng)絡(luò)印刷在介電常數(shù)為2.65、厚度為1 mm的F4B介質(zhì)基板上。最后，兩塊介質(zhì)基板被壓合到一起，中間未引入任何空氣介質(zhì)層，維持了天線的緊湊結(jié)構(gòu)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the proposed antenna

1.2 寄生貼片的影響

為了闡述寄生貼片對(duì)天線帶寬的影響，圖2分別給出了加載寄生貼片與未加載寄生貼片的情況下，天線的阻抗帶寬對(duì)比。從圖中可以看出，在未加載寄生貼片前，天線的阻抗帶寬為2.87%(2.4～2.47 GHz)，寄生貼片加載后，天線的阻抗帶寬拓展為4.92%(2.38 ～2.5 GHz)。相較于傳統(tǒng)的差分微帶天線，共面地加載了寄生貼片之后，其工作帶寬拓展到了原先的1.71倍，且未改變天線的剖面高度，也沒(méi)有引入空氣介質(zhì)層，維持了其緊湊的物理結(jié)構(gòu)。

圖2 寄生貼片加載前后阻抗帶寬對(duì)比圖Fig.2 Comparison of the impedance bandwidth with and without parasitic patches

2 濾波器及濾波天線設(shè)計(jì)

2.1 濾波器結(jié)構(gòu)

本文采用的濾波器形式是目前使用較為廣泛的平行耦合微帶濾波器，為一個(gè)三階巴特沃茲型帶通濾波器，其詳細(xì)設(shè)計(jì)方法可以參考文獻(xiàn)[13]。圖3給出了本文使用的濾波器結(jié)構(gòu)圖與具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，其各段傳輸線的長(zhǎng)度分別為20.4,20,20,20.4 mm，其對(duì)應(yīng)的線寬分別為2.33,2.33,2.64,2.33 mm，除此之外，各段傳輸線之間的縫隙寬度分別為0.2,1.7,1.7,0.2 mm。圖4給出了濾波器的HFSS仿真結(jié)果，從反射系數(shù)曲線和傳輸系數(shù)曲線可以看出，濾波器在整個(gè)工作頻帶內(nèi)具有良好的選擇特性，其工作帶寬為2.38～2.54 GHz 可以完全覆蓋天線的工作帶寬。

圖3 天線底層濾波器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of the filter

圖4 濾波器仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the filter

2.2 濾波天線設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

按照?qǐng)D3所示的方式將濾波器加載至天線底層的饋電網(wǎng)絡(luò)之中，通過(guò)金屬化過(guò)孔，連接天線的頂層與底層，形成完整的濾波天線設(shè)計(jì)。圖5給出了最終天線的阻抗帶寬分布與邊射增益分布。

圖5 濾波天線仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the filtering antenna

從圖5中可以看出，天線具有較寬的阻抗帶寬，為2.39 ～2.53 GHz，與輻射天線帶寬本身和濾波器帶寬保持一致。將二者用短路探針級(jí)聯(lián)后，保持了原有的優(yōu)良特性，同時(shí)縮小了系統(tǒng)整體的復(fù)雜度與尺寸，省去了同軸線連接所引入的阻抗適配與插損。從天線最終的邊射增益可以看出該天線具有良好的濾波特性，其通帶內(nèi)增益平穩(wěn)，帶外具有較好的選擇特性，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 天線實(shí)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，加工了一個(gè)如前文所述的天線模型，介質(zhì)基板分別選用厚度為2.4 mm與1 mm的F4B材料，天線的輻射結(jié)構(gòu)印刷在介質(zhì)的頂層，地板印刷在中間層，濾波器及饋電結(jié)構(gòu)印刷在介質(zhì)基板的底層。圖6給出了加工天線的實(shí)物照片。由于實(shí)測(cè)環(huán)節(jié)中，需要使用SMA接頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀器相連，但天線的地板位于兩層介質(zhì)中間，無(wú)法直接將SMA接頭焊接在天線上。因此在天線的饋線邊緣加載了共模波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶線的處理，且將位于底層部分的地板通過(guò)位于介質(zhì)基板邊沿的半金屬化過(guò)孔與位于介質(zhì)中間層的地板相連。

圖6 天線實(shí)物圖Fig.6 Physical picture of the proposed antenna

圖7給出了加工天線的實(shí)測(cè)阻抗帶寬與邊射增益，從中可以看出，其實(shí)測(cè)阻抗帶寬為2.38～2.53 GHz，與仿真結(jié)果一致；天線的實(shí)測(cè)峰值增益為9.55 dBi。圖8給出了天線在中心頻率處的E面與H面實(shí)測(cè)與仿真方向圖。從圖中可以看出，天線實(shí)測(cè)方向圖與仿真基本一致，天線具有良好的單向輻射特性，且其交叉極化特性良好。存在的偏差主要是由測(cè)試環(huán)境的非理想、測(cè)試時(shí)差分饋電的相位與幅度的偏差、天線后向輻射受到遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境的支撐機(jī)構(gòu)干擾等因素決定。

圖7 天線實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Simulated and measured results of the proposed antenna

圖8 天線方向圖Fig.8 Pattern of the proposed antenna

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種加載了三階巴特沃茲帶通濾波器的差分饋電寬帶微帶濾波天線。天線本身與傳統(tǒng)的差分饋電微帶天線相比，其工作帶寬得到了有效拓展，為原先的1.71倍。天線具有良好的濾波特性，其通帶內(nèi)天線的峰值增益達(dá)到了9.55 dBi，且其3 dB增益帶寬完全覆蓋了阻抗帶寬。其工作帶內(nèi)天線方向圖具有良好的單向輻射特性，且交叉極化特性良好，不存在裂瓣的問(wèn)題。除此之外，相較于現(xiàn)有的寬帶差分微帶濾波天線，本文設(shè)計(jì)的天線具有非常低的剖面高度，僅為中心頻率的0.027個(gè)波長(zhǎng)，且不存在任何空氣介質(zhì)層的填充，具有緊湊的結(jié)構(gòu)。