小型化低剖面全向?yàn)V波天線設(shè)計(jì)

王麗黎，徐亞妮，高智勇，張衡

（1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安市無(wú)線光通信與網(wǎng)絡(luò)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

0 引言

天線和濾波器是射頻前端電路的重要組成部分[1-2]，用于發(fā)射或接收信號(hào)、選擇頻段和消除干擾，它們的性質(zhì)決定了整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。通常情況下，這兩個(gè)器件分別獨(dú)立設(shè)計(jì)，然后通過(guò)額外的傳輸線連接，這種方法不僅在整個(gè)頻率范圍內(nèi)極易產(chǎn)生阻抗不完全匹配，導(dǎo)致天線輻射特性下降，同時(shí)還會(huì)占用額外的電路面積，使得整個(gè)電路系統(tǒng)尺寸過(guò)大。因此，有學(xué)者提出將濾波器與天線相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)兼具天線輻射功能和濾波器選頻功能的濾波天線[3-5]模塊，與傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)相比較，濾波天線具有小型化、集成化和低輻射損耗等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。

無(wú)線系統(tǒng)應(yīng)用中有許多實(shí)現(xiàn)濾波天線的方法，其中主要有兩種方法。一種是濾波天線綜合設(shè)計(jì)方法[9-11]，這種設(shè)計(jì)方法要求濾波器和天線處于同一工作頻段，把天線當(dāng)作濾波器的一個(gè)負(fù)載端口，通常用 50 ? 的傳輸線級(jí)聯(lián)，使得天線可以選擇工作在某個(gè)特定頻段范圍內(nèi)。另一種是濾波天線協(xié)同設(shè)計(jì)方法，即綜合考慮濾波器和天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把兩者設(shè)計(jì)成相同的諧振模式，天線不僅具有傳統(tǒng)天線的輻射功能，而且作為濾波器的末級(jí)諧振器[12-13]。

本文用濾波天線綜合設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小型化全向?yàn)V波天線，主要綜合了天線和帶通濾波器的設(shè)計(jì)思路，以微帶貼片天線為原始天線，在其饋電網(wǎng)絡(luò)中引入交指耦合帶通濾波器，采用縫隙耦合的方式集成為一個(gè)濾波天線。利用帶通濾波器的頻率選擇特性對(duì)微帶天線工作頻段內(nèi)不需要的信號(hào)進(jìn)行有效抑制，這樣不僅減少了天線和濾波器集成設(shè)計(jì)的尺寸和傳輸損耗，而且使得微帶天線有了選頻濾波功能。本文用高頻電磁仿真軟件 HFSS(High Frequency Structure Simulator) 對(duì)提出的濾波天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化，加工制作了實(shí)物并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的天線具有良好的濾波特性、平穩(wěn)的帶內(nèi)增益和全向輻射特性。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 帶通濾波器

根據(jù)濾波器的綜合設(shè)計(jì)方法[14]設(shè)計(jì)了一個(gè)五階交指耦合帶通濾波器，選用紋波系數(shù)為0.1 dB 的五階切比雪夫型低通模型。通過(guò)HFSS 單腔仿真確定單個(gè)諧振器的尺寸之后，再用式(1)求得濾波器諧振器之間的耦合系數(shù)M。

式中，Mi,i+1是第i個(gè)與第i+1 個(gè)諧振器之間的耦合系數(shù)，gi和gi+1表示低通原型濾波器的歸一化電導(dǎo)值，F(xiàn)BW 為濾波 器相對(duì)帶寬，i為 正整數(shù)且i≤n-1，n指濾 波器的階數(shù)。已知低通原型的歸一化電導(dǎo)值：g1=g5=1.148 4，g2=g4=1.371 0，g3=1.976 5。根 據(jù)式(1)可求得相鄰諧振器之間的耦合系數(shù)：M1,2=M4,5=0.039 8，M2,3=M3,4=0.030 4。然而，使用 HFSS 軟件模擬兩個(gè)并置的對(duì)稱(chēng)耦合的共振腔時(shí)，由于諧振腔之間的互耦效應(yīng)，其固有頻率將會(huì)分裂成兩個(gè)新的頻率f1和f2，此時(shí)諧振器之間的耦合距離s為：

通過(guò)式(2)仿真計(jì)算得到的耦合系數(shù)M與相鄰諧振器間距s的關(guān)系如圖1 所示，從圖中可以直觀地看出，當(dāng)s12=s45=1.51 mm，s23=s34=1.84 mm 時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 耦合系數(shù)M 與諧振器間距s 的關(guān)系

帶通濾波器介質(zhì)基板選用介電常數(shù)為2.2 的F4B 材料，厚度為0.5 mm。帶通濾波器的結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示，正面是5 個(gè)開(kāi)路端和短路端交替擺放的諧振桿和兩個(gè)寬度為1.09 mm 的饋線，其中，諧振器短路端通過(guò)半徑為0.3 mm 的接地圓柱實(shí)現(xiàn)，背面是帶通濾波器接地板。濾波器S參數(shù)的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖3 所示，從圖中可以觀察到，濾波器的中心頻率為2.44 GHz，-10 dB相對(duì)帶寬是6%(2.4 GHz～2.52 GHz)，通帶內(nèi)插入損耗約為-0.6 dB，測(cè)試與仿真結(jié)果存在一定誤差，可能是因?yàn)闇y(cè)量精度等不可避免因素；通帶內(nèi)反射系數(shù)優(yōu)于-15 dB，同時(shí)可以看到濾波器邊緣陡峭，具有良好的頻率選擇性，S21在帶外100 MHz 處降到-40 dB 以下，仿真與測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。

圖2 濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖3 濾波器的仿真反射系數(shù)圖

1.2 濾波天線

天線的演變過(guò)程如圖4 所示，以天線1 所示的微帶天線為基礎(chǔ)天線，該天線工作在2.14 GHz～2.63 GHz，完全覆蓋帶通濾波器的工作頻帶，天線2 將上文設(shè)計(jì)的濾波器嵌入微帶貼片天線的饋線位置處與天線1 級(jí)聯(lián)，二者通過(guò)縫隙耦合連接且共用一個(gè)地平面，這不僅有效減小了電路的物理尺寸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線的濾波特性。但由于微帶貼片天線具有強(qiáng)諧振性質(zhì)且濾波器和微帶天線端口不匹配，天線系統(tǒng)的S11不符合工作帶寬要求。為了獲得更好的帶內(nèi)阻抗匹配，天線3 在輸入饋線前端添加了一個(gè)橫向矩形貼片，同時(shí)在天線與濾波器耦合連接處添加一段耦合傳輸線，天線的性能隨耦合距離s3大小變化的趨勢(shì)如圖5 所示，從圖中可以看到，s3從0.05 mm逐漸增大時(shí)，匹配開(kāi)始變好，增至0.1 mm，再增大到0.15 mm 時(shí)，諧振點(diǎn)向上，匹配變差，所以選擇0.1 mm。天線2 和天線3 的對(duì)比仿真結(jié)果如圖6 所示，匹配良好的狀態(tài)下，天線仿真的工作頻帶為2.31 GHz～2.55 GHz。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的濾波天線結(jié)構(gòu)如圖7 所示，主要尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 濾波天線的參數(shù)

圖4 濾波天線演變過(guò)程

圖5 s3 對(duì)天線性能的影響

圖6 天線演變過(guò)程的S11 對(duì)比

圖7 濾波天線結(jié)構(gòu)圖

2 仿真與測(cè)試

加工制作的天線實(shí)物圖如圖8 所示，天線印刷在F4B 介質(zhì)基板上，介電常數(shù)為2.2，基板厚度為0.5 mm，正面是帶通濾波器和微帶貼片天線的集成，底面是接地面。天線輻射方向圖和增益通過(guò)室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量獲得，測(cè)量環(huán)境如圖9 所示，測(cè)試中發(fā)射天線和接收天線實(shí)際距離為200 m。

圖8 濾波天線實(shí)物圖

圖9 室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試圖

2.1 S 參數(shù)和增益

濾波器天線的S11及增益頻率的關(guān)系曲線如圖10 所示，S11和增益分別用型號(hào)為E8361C 的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和N9030A 的頻譜儀測(cè)試得到，其中實(shí)線為模擬曲線，虛線為實(shí)際測(cè)量曲線，仿真值與測(cè)量值較為一致。濾波天線的阻抗帶寬為2.31 GHz～2.56 GHz，相對(duì)帶寬約為10.3%，帶內(nèi)平均增益在2.1 dBi 左右，通帶邊緣增益下降明顯，具有良好的頻率選擇性。但由于襯底F4B 在該頻率下引入了較大的介電損耗，濾波天線的增益不是很高。仿真與測(cè)試結(jié)果之間存在一定的差異，這種差異可能是由于加工誤差或者其他外界環(huán)境的影響所造成的，也有可能是因?yàn)闇y(cè)量精度不夠等不可避免因素。

圖10 濾波天線S11 和增益的仿真與測(cè)試結(jié)果圖

2.2 輻射方向圖

濾波天線在2.44 GHz 處E面和H面的輻射方向圖如圖11 所示，實(shí)線是模擬仿真值，虛線是實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得值。其中，E面呈全向輻射狀態(tài)，平均增益為2.1 dBi，不同圓度變化在0.3 dBi 以?xún)?nèi)，H面輻射方向圖呈“8”字形，與單極子天線相似。模擬值與測(cè)量值的誤差主要來(lái)源于測(cè)試設(shè)備老化、天線加工的精度誤差以及測(cè)試當(dāng)天室外自由場(chǎng)環(huán)境的影響等。

在表2 中，將本文的設(shè)計(jì)與其他已發(fā)表的平面濾波天線進(jìn)行了對(duì)比。從表2 中可以看出，本文提出的濾波天線在帶寬和小型化方面較有優(yōu)勢(shì)，并且采用了單層平面結(jié)構(gòu)。與文獻(xiàn)[11]中的單層貼片天線相比，本文提出的濾波天線的帶寬和平均增益都有所提高，同時(shí)，由于寬度和厚度較小，該天線的平均增益略低于文獻(xiàn)[8]中的單層天線，但并不影響該設(shè)計(jì)的整體效益。

表2 本文設(shè)計(jì)的濾波天線與之前工作的對(duì)比

3 結(jié)論

本文用濾波天線綜合設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一款適用于WLAN 2.4 GHz 頻段的小型化低剖面全向?yàn)V波天線，這種天線不僅達(dá)到了寬帶天線的相對(duì)帶寬要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的全向方向輻射，而且通過(guò)引入交指耦合帶通濾波器得到了良好的帶外抑制效果和較高的頻率邊緣選擇性。通過(guò)對(duì)天線進(jìn)行加工和測(cè)試得到該濾波天線工作在2.31 GHz～2.56 GHz，實(shí)現(xiàn)了10.3% 的相對(duì)帶寬和超過(guò)-15 dBi 的帶外抑制性能，通帶右側(cè)有一個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高了天線的選擇性。除此之外，相較其他已有的微帶濾波天線，本文設(shè)計(jì)的天線中間沒(méi)有填充任何空氣層，具有良好的輻射性能和選頻濾波效果，同時(shí)該濾波天線剖面高度低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，在無(wú)線通信系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。