一款小型化具有滤波特性的Г型天线设计

华阳，韩超

（海军驻大连426厂军事代表室，辽宁 大连 430000）

在过去的数十年中，无线通信领域已经经历了革命性的发展，越来越要求无线通信系统具有小型化、低损耗、抗干扰性强等特点。因此，将无线通信系统射频前端，两个尺寸较大的无源器件——天线和滤波器，集成设计为一个模块，同时具备辐射和滤波特性就显得特别重要。

现已有一些关于滤波器与天线集成设计为一个模块的文献[1-4]。文献[1]中，在喇叭天线和波导馈线之间引入 Ω型金属结构后，喇叭天线获得了滤波特性；在文献[2]中，在微带天线引入短路探针后，使微波天线出现了具有传输零点的滤波特性；在参考文献[3]和[4]中，在滤波器和天线之间引入阻抗变换结构，也获得了滤波特性，但是新引入的阻抗变换结构增加了整个模块的复杂性，也使模块的质量、尺寸和损耗更大。在这些文献中，虽然通过引入不同的结构，使天线获得了滤波特性，但是在设计中没有使用综合设计方法，也没有考虑滤波器或天线的特性，因此这些方法并不具备通用性。近年来，综合设计方法慢慢引入到滤波器和天线集成设计中[5-10]。天线具有较好的带外抑制特性，但是尺寸仍然比较大。

文中设计了一款小型化的具有滤波特性的 Г型天线。利用综合设计方法，将二个发夹型谐振器、一段耦合线和 Г型天线集成设计为具有滤波特性的 Г型天线。该设计中Г型天线按照滤波器谐振器要求进行设计，从而取代滤波器最后一个谐振器形成滤波器天线，这样Г型天线不仅起辐射作用，同时还是滤波器的一个谐振器。这样极大缩减了滤波器与天线集成设计的尺寸和传输损耗。给出了该滤波器天线设计和仿真结果，结果显示，滤波器天线具有好的滤波器性能和辐射特性。

1 滤波器Г型天线设计

在开展滤波器与微带天线集成综合设计之前，首先需要综合设计一款三阶发夹型滤波器，如图 1所示。利用滤波器综合方法设计一款0.1 dB等波纹和在2.45 GHz阻抗带宽为8.6%的三阶切比雪夫带通滤波器[11]。谐振器间的耦合系数为M12=M12=0.0791，输入/输出端的外部品质因数为 Qext,1=Qext,2=12。该滤波器印制在厚度为0.6 mm、介电常数为2.65的介质板上。

图2所示的滤波器天线由二个发夹型谐振器，一段耦合线和Г型天线组成。这种集成设计中，在滤波器和天线之间不需要引入额外的阻抗变换结构。因此，在滤波器和天线之间基本上没有损耗，同时尺寸也得到极大的缩减。为实现天线与滤波器的集成设计，且天线还作为滤波器的一个谐振器，因此天线的品质因数应满足滤波器要求，天线的品质因数可通过式（1）计算[12]：

式中：Zin为天线馈电点处的输入阻抗；0ω为天线谐振频率。天线的地板尺寸为32 mm×40 mm。天线的谐振频率由Г型天线总长度 x1+x2+x3决定。天线的总长为27 mm，大约为中心频率2.45 GHz所对应波长的1/4。QA取决于水平带线的长度x1，这是因为天线电流主要分布在水平带状线上。最终 x1，x2和 x3的长度分别为 10，13.5，3.5 mm，此时天线的Qext,1=Qext,2=12。

为了连接Г型天线和发夹型谐振器，设计了耦合结构，它起着导纳变换器的作用。根据天线与滤波器谐振器的具体结构，选择平行耦合双导线结构作为耦合结构。耦合结构及其等效电路如图3所示。

利用奇偶模分析法对平行耦合结构进行分析。为了使两种结构有相同的电性能，耦合线与其等效电路的 ABCD矩阵应该相等。对于耦合线可以先写出 Z矩阵，利用Z矩阵和ABCD矩阵的关系求得ABCD矩阵。等效电路的 ABCD矩阵可以通过三个矩阵相乘的形式得到（等效电路里的微带线、导纳变换器与微带线对应的 ABCD矩阵）[13]。让耦合线与等效电路的 ABCD相等，在电长度θ=π/2时，可以推出如下关系：

式中：C1和C2为低通原型滤波器元件值；Z0e和Z0o为奇模和偶模阻抗。在给定Z0的情况下，可求得平行耦合线的物理尺寸。耦合线的长度(L5+L6)大约为中心频率2.45 GHz波长的1/4。耦合线的线宽和线间距分别为0.5 mm 和0.4 mm。

集成的三阶滤波器天线的等效电路如图4所示。可以看出，天线起谐振的同时还起辐射作用，平行耦合线等效为导纳变换器，将谐振器与天线相连。除此之外，图3也给出了用于与滤波器进行集成的Г型天线结构与尺寸。用于仿真软件 HFSS 17进行优化设计，最终优化好的尺寸见表1。

表1 结构参数 mm

2 仿真结果

使用 HFSS 17对优化设计好的滤波器天线进行仿真分析，图5给出了滤波器天线仿真反射系数和增益曲线。在整个频带内，仿真反射系数在-10 dB以下，仿真带宽为6.5% （2.38～2.54 GHz）。图5还给出了仿真增益随频率变化曲线，可以看出，滤波器天线在通带内增益变化很平缓，最大差异为0.92 dB；在通带外增益快速下降，在2.15 GHz和 2.75 GHz处增益分别为-15 dBi和-25 dBi，这说明滤波器天线具有良好的带外抑制特性。图 5为滤波器天线在2.45 GHz xz面 和 xy面的仿真方向图。xz面的方向图几乎是全向的，其最大增益为2.19 dBi。

3 结论

利用综合设计方法设计了一款小型化的具有滤波特性的Г型天线。一段1/4波长的耦合线作为导纳变换器，用于连接Г型天线和滤波器发夹型谐振器，这样 Г型天线在起辐射作用的同时也是滤波器的一个谐振器。设计的滤波器天线具有类似传统带通滤波器一样良好的频率选择特性，通带内天线增益变化平缓，带外具有较好的抑制特性。滤波器天线电性能展现出良好的滤波和辐射特性，很适合用于现代无线通信系统的射频前端。