基于三貼片的平面濾波貼片天線

張 誠，楊 兵，施 金，毛 臻

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035；2.南通大學電子信息學院，江蘇南通 226019）

一般而言，濾波器與天線是兩種獨立的器件，通過級聯的方式以同時實現輻射與濾波特性。濾波器與天線的協同設計可實現系統小型化以及集成化的特點。然而，濾波器具有高品質因數特性，而天線的品質因數較低，因此濾波器與天線的協同設計是一項艱巨的設計任務。

針對濾波天線設計，國內外報道了諸多設計技術。最為傳統的設計方式是天線與濾波器共用阻抗變換器[1]。另一種方式是用天線來取代濾波器的最后一級諧振器[2-12]，這類天線具備較小的平面尺寸。施教授團隊提出將濾波結構嵌入天線中的設計技術[13]，濾波天線的尺寸可進一步減小。對于上述3 類天線設計都含有不參與輻射的諧振器，因此天線的增益與效率都有所降低。為避免天線增益與效率的降低，科研工作者提出了天線所有結構都參與輻射的濾波天線設計技術[14-17]。在文獻[14-15]中，通過使用疊層貼片，天線的增益與傳統貼片天線相比有所提高。這類設計方法也可用來實現差分濾波天線[16]、雙極化濾波天線[17]。

文中提出了一種基于三貼片實現的平面濾波天線。短路副貼片、接地孔以及矩形槽的使用拓展了天線的工作帶寬、提高了天線的帶外抑制特性。另外，天線的工作帶寬以及輻射零點也可通過改變相應的物理尺寸進行調節。為明確天線的設計，文中詳細分析了天線的工作原理，相關參數對天線工作帶寬、輻射零點的影響，最終設計了一個工作在1.84 GHz 的天線案例，該案例驗證了理論預期的可實現性。

1 天線設計

圖1 是所提平面濾波貼片天線的示意圖。從圖中可知，該天線是一種平面天線，主要由帶有3 個短路通孔的方形貼片、兩塊短路貼片以及同軸饋線構成，其中方形貼片位于金屬大地的正中央，兩塊短路貼片位于方形貼片的兩邊。同軸饋線的內、外導體分別與方形貼片和金屬大地相連。該天線采用的是羅杰斯RO4003C基板,其中介電常數εr為3.38，損耗角losstan 為0.002 7，基板厚度為1.524 mm。文中天線的全波仿真采用的是Ansoft 公司的HFSS（High Frequency Structure Simulation）軟件。

圖1 所提天線的結果

為詳細解釋所提出天線的工作原理，下文將詳細分析天線每部分結構的功能。

1.1 寄生貼片

為了清楚地解釋寄生貼片的作用，引入了天線1與天線2。其中，天線1 是傳統的平面貼片天線，天線2 是在天線1 的基礎上在其貼片兩邊加載短路貼片的平面貼片天線，具體結構分別如圖2（a）和（b）所示。為合理地進行性能對比，這兩類天線的金屬大地尺寸與所提的天線相同。

圖2 天線1、2的具體結構

圖3 給出了天線1 和天線2 的仿真|S11|和增益響應曲線。從圖中可知，由于在方形貼片兩邊加載了兩塊短路貼片，天線2 的|S11|曲線上出現了兩個傳輸極點，并且在增益曲線上出現了一個頻率高端輻射零點，因此和天線1 相比，天線2 具有拓展工作帶寬，提高高端頻率選擇性的優勢。

圖3 天線1和天線2的仿真|S11|和增益響應曲線

天線2 性能的提高是由于在方形貼片兩邊加載了短路貼片，其能給天線帶來不同的模式。圖4 給出了天線2 位于1.8 GHz 處的電場分布，從圖中可知此時天線2 工作在反向TM20模。在該模式下，由于方形貼片與兩塊短路貼片之間產生了反向Ez分量，所以可獲得同向的Ex分量，它們的遠場可以在天線最大輻射方向上相互疊加，從而確保天線在通帶內的良好輻射。圖5 給出了天線在高端輻射零點頻點1.88 GHz 處的電場分布，從圖中可知此時天線工作在同向TM20模。在該模式下，原先位于方形貼片與兩塊短路貼片之間的反向Ez分量變為了同向，從而產生了反向Ex分量，它們的遠場在天線最大輻射方向上相互抵消，所以在增益曲線上出現了高端輻射零點。因此，和天線1 相比，天線2 具有良好的高端頻率選擇性。

圖4 天線2工作在1.8 GHz處的電場分布

圖5 天線2工作在1.88 GHz處的電場分布

圖6 給出了天線2 在不同g1下的仿真|S11|和增益響應曲線。從圖中可知，耦合間距g1能夠改變通帶內兩個傳輸極點之間的相對位置，并且隨著間距g1的增大，兩個傳輸極點的相對間距逐漸增大。從該圖中仍可發現，即使當同向TM20和反向TM20這兩個模式離得很遠時，天線的第二個傳輸極點始終緊靠著高端輻射零點。這種現象的產生是由于在高端輻射零點頻率附近，輸入阻抗發生了快速變化。圖7 給出了天線2 以及天線1 的仿真輸入阻抗曲線。從圖中可知，當頻點從高端輻射零點變化到第二個傳輸極點時，天線的輸入阻抗從0 Ω快速變化到50 Ω。因此，天線2具有兩個傳輸極點。與天線1相比，天線2的工作帶寬得到了有效拓展，達到了52 MHz（1.8～1.852 GHz），即相對帶寬約為2.8%。

圖6 天線2在不同耦合間距g1下的仿真|S11|和增益曲線

圖7 天線2與天線1的仿真輸入阻抗曲線

1.2 接地孔

為進一步提高天線的低端頻率選擇性，在天線2的基礎上，引入了方形貼片上加載3 個金屬通孔的天線3。圖8 給出了天線2 和天線3 位于低端輻射零點頻點處的電流分布。從圖中可知，加載的金屬通孔導致方形貼片上的電流由原先的同向分布變為了反向分布，從而電流相互抵消，因此產生了低端輻射零點，提高了天線的低端頻率選擇性。圖9 給出了天線2 和天線3 的輸入阻抗曲線。從圖中可知，該天線在通帶范圍內的電抗和電阻更加接近于0 Ω和50 Ω。并且在通帶外，天線的輸入阻抗很小，這也促進了低端輻射零點的產生。因此，和天線2 相比，天線3 具有良好的低端頻率選擇性能。

圖8 天線2與天線3在低端輻射零點頻點處的電流分布

圖9 天線2和天線3的仿真輸入阻抗

圖10 給出了在不同孔間距d2下的增益曲線。從圖中可知，在一定范圍內，隨著d2的減小，低端輻射零點逐漸上移。然而，低端輻射零點頻點位置只能移至1.35 GHz。

圖10 不同d2下的增益曲線

1.3 矩形槽

為進一步提高低端帶外抑制水平，在主貼片上加載了4 根矩形槽。從圖11 可知，矩形槽的引入使天線的低端輻射零點上移至1.5 GHz，提高了天線的帶外抑制水平。為保證天線的工作帶寬，低端輻射零點的調節需同時改變矩形槽的長度l1與通孔的位置d2。

圖11 在不同l1與d2下的增益曲線

對于天線的高端輻射零點，由于它始終緊靠著第二個傳輸極點，在保持天線的工作帶寬不變的情況下，高端輻射零點和第二個傳輸極點的相對位置保持不變。

1.4 帶寬調節

圖12 給出了天線在不同g1以及a2下的仿真|S11|曲線。從圖12（a）可知，g1主要影響天線的工作帶寬，且工作帶寬會隨著g1的增加而減小，這是由于方形貼片與短路貼片之間的耦合發生了變化，且該耦合會隨著g1的增大而減小。從圖12（b）可知，短路貼片的寬度a2同樣會影響天線的工作帶寬，且隨著a2的減小，天線的工作帶寬隨之增大，并且通帶上邊沿移動得比下邊沿快。

圖12 不同條件下的仿真|S11|曲線

2 設計流程

1）首先，確定方形貼片的初始尺寸（a1、d1、d2、d3、d4、l1、w2）。根據圖11 中總結的低端輻射零點隨d2、l1的變化規律以及對低端輻射零點的設計要求，從而可以確定d2與l1的初始值。w2、d1、d3和d4建議分別設定為0.027 λg、0.097 λg、0.097 λg和0.14 λg，其中λg是該天線在中心頻率f0處的介質波長。為了確定方形貼片的長度a1，圖13 給出了在不同d2和l1下的貼片尺寸a1。根據a1隨d2和l1的變化規律，可以確定a1的初始值。

圖13 孔間距d2或者槽線長度l1改變時，在保證固定中心頻率f0下所需要的方形貼片尺寸a1

2）然后，確定短路貼片的初始尺寸（a2、w1）以及方形貼片與短路貼片間的耦合間距（g1）。w1建議設定為0.215 λg，大概為傳統貼片的一半。g1和a2可根據天線工作帶寬的設計要求以及從圖12（a）和12（b）中所得到的工作帶寬隨g1和a2的變化規律來確定。

3）最后，微調參數g1、w1、a1、l1和d2得到最優的天線性能。

3 仿真與實測結果

為了驗證天線理論預期的可實現性，該節設計并加工了一個工作在1.84 GHz 的天線案例。圖14是所提出天線的實物圖，具體的物理參數為a1=49.55 mm,d1=8 mm,d2=21.8 mm,d3=4.8 mm,g1=3 mm,l1=17 mm,w2=2.7 mm,w1=22 mm,a2=36.5 mm,l=140 mm，w=120 mm,d4=4.75 mm,r=0.5 mm,r1=0.5 mm。

圖14 所提出天線的仿真和測試響應

圖14 給出了天線的仿真、測試|S11|和增益響應曲線。從圖可知，該天線的中心頻率為1.84 GHz，匹配帶寬為52 MHz，即相對帶寬為2.8%，在中心頻率處的測試增益為6.65 dBi。高端和低端輻射零點分別出現在1.5 GH 和1.88 GHz。仿真與實測結果基本一致。

圖15 給出了天線位于中心頻點處的測試和仿真方向圖。從圖中可知，天線在通帶內的輻射特性基本保持一樣。在中心頻率處，E 面和H 面的3 dB波束帶寬分別為70°和80°；E 面和H 面在3 dB 波束帶寬內的交叉極化分別為-27 dB 和-18 dB，前后比為27.5 dB。

圖15 天線的測試和仿真分析圖

表1 列出了該設計與以往貼片天線設計的對比。從表中可知，該設計是一種基于平面結構實現的濾波天線。與用天線取代濾波器最后一級諧振器的設計相比[17]，該設計能夠在未降低增益的條件下融合濾波與天線功能。與傳統的貼片天線相比，該設計具有拓展工作帶寬，提高帶外抑制水平的優勢；與已報道的所有結構都參與輻射的濾波天線設計技術相比，該技術具有剖面高度低的優勢。

表1 該設計與以往設計的性能對比

4 結論

所提出的平面濾波天線和傳統的貼片天線相比具有拓展工作帶寬以及頻率選擇性的優勢。文中闡述了天線的傳輸零點以及輻射零點的工作機理，也描述了天線的工作帶寬與輻射零點的調節規律。所提出的天線能夠減少微波系統中對濾波器的要求，低剖面特性使得天線能夠更好地滿足無線終端的要求。