基于FDTD算法的微带滤波天线的设计*

井甜甜，赵建平，张 月，杨 君，徐 娟

（曲阜师范大学，山东 曲阜 273165）

0 引 言

近年来，无线通信系统发生了翻天覆地的变化，各式各样的新技术不断涌现。无线通信设备朝轻便化、高性能等方向发展。天线是射频前端的关键部件，是电磁波的出入口，天线的性能很大程度上影响了整个通信系统的性能[1]。目前传统的单一功能的天线已经不能满足日益复杂和多样化的需求。为了适应现代通信设备的发展，滤波天线逐渐得到了人们的重视[2]。性能良好的滤波器可以滤除不需要的信号，伴随高频结构仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）电磁仿真软件和时域有限差分法（FDTD，Finite Difference Time Domain）数值分析方法的广泛应用，滤波器的设计变得越来越便捷，发展尤为迅速。发射天线将传输线上的电信号转化成电磁波并将其发射到自由空间中，接收天线则接收自由空间中的入射电磁波[3]。滤波天线是把天线和滤波器作为一个整体设计，其具备了辐射、阻抗匹配、滤波的能力，并且其结构尺寸往往比将天线和滤波器分开的设计更加紧凑[4]，且极大的增强了带内选择性和带外抑制使其具有高选择性。

1 基于FDTD算法的微带贴片天线

电介质基板上蚀刻矩形金属图案来实现贴片天线，采用在基板的同一侧上的微带线上馈电。选择合适的馈线长度，可反映出在不同的工作频率下的隔离[5]。图1所示为一个贴片上开缝隙实现辐射的微带天线，从输入端口到贴片边缘的长度设为L。天线设计采用相对介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880材料，厚度为0.787 mm的介质基板。

图1 微带天线的结构示意图

应用FDTD数值分析方法对微带贴片天线关于HFSS仿真所得S参数正确性进行验证。对于S参数运用FDTD程序仿真实际问题时，需要进行两次仿真，第一次仿真得到观察点处的入射电压，记录在V1.dat，第二次仿真得到观察点处的实际电压，记录在V1r.dat[6]，通过S11的公式，可以得到观察点处的S11。

式中，Vr(w,y1)表示频域的输入端口总电压；Vin(w,y1)表示频域入射电压；y1表示观察点所在位置坐标。

读取input.dat，建立相对应微带贴片天线的模型，并开辟空间存储参数，存储的有各个方向上的电场、磁场值，Yee元胞的介电常数和电导率等等。进行FDTD迭代，在迭代过程中注意金属分界面的处理、吸收边界条件、激励信号等处理，同时需要记录观测点的数据[7]。最后对采集到的数据进行处理，得出S11参数的曲线与HFSS中的对比如图2所示。

图2 S11仿真对比

由图2可以看到，FDTD中S11参数的曲线与HFSS中的曲线比拟效果良好，使微带贴片天线的正确性得到验证。天线在5.8 GHz和7.8 GHz频点处的S11均小于-10 dB，实现了辐射能量的要求，随馈线支路长度的变化，微带贴片的输入阻抗在谐振工作频率上呈现不同的特性，选择贴片馈线的输入阻抗为160欧姆。但是带外选择性不够好。为了改善这种情况，考虑在天线馈线上加载滤波器，使其具有高选择性。

2 基于FDTD算法的微带带通滤波器

由于贴片在谐振频率附近的回波损耗曲线比较平缓使得相近的频率下呈现高阻状态时的输入阻抗不够大，因此在馈线上加高选择性的带通滤波器，利用其陡峭截止的响应特性提高在非谐振频率上的输入阻抗[8]。

滤波器选择具有陡峭截止特性的小型化带通滤波器。在HFSS中优化后得到的工作频率为8.01 GHz的带通滤波器结构参数为：w1=4.082 mm，w2=3.082 mm。馈线的特征阻抗值为160欧姆，图3所示为微带带通滤波器。仿真得到的S参数曲线图如图4所示。由图可知，通带的中心频率为8.01 GHz，在该点的S11为-23.2 dB，10 dB的阻抗带宽为4.8%。

图3 微带带通滤波器的结构示意图

图4 带通滤波器S参数曲线图

应用FDTD数值分析方法对微带带通滤波器关于HFSS仿真所得S11正确性进行验证。对于S参数运用FDTD程序仿真实际问题需进行两次仿真，通过有关S参数公式[9]，对应参数的模型图如图5所示，可以得到观察点处的S11。

式中，Vr(w,y1)表示频域的输入端口总电压；Vin(w,y1)表示频域入射电压；Vn(w,yn)表示为第n端口频域传输电压；y1，yn表示观察点所在位置坐标[10]。

图5 模型图

对采集到的数据进行处理，得出FDTD中S11参数的曲线与HFSS中的曲线对比如图6所示。由图6可以看出，FDTD与HFSS仿真图比拟效果良好，使微带带通滤波器的性能得到正确性的验证。

图6 S11仿真结果对比

3 微带滤波天线的设计

设计一个工作频率为8.01 GHz的微带滤波天线，对微带贴片天线和微带带通滤波器的尺寸进行了微调，并使微带贴片天线的缝隙旋转的角度进行了一定的调整。介质基板采用介电常数εr=2.2的Rogers RT/duroid 5880材料，厚度h=0.787 mm。采用在馈线上加载滤波器设计滤波天线的整体仿真模型和结构图分别如图7（a）和图7（b）所示。为了更好地与贴片匹配，用160欧姆微带线对贴片内嵌式馈电。方形贴片宽度为w3，缝隙长和宽分别为L4和w4，微带贴片天线的缝隙旋转角度为 55 度[11]。

图7 微带滤波天线

在HFSS中优化后的8.01 GHz滤波天线的尺寸参数为：w1=4.2 mm，w2=3.08 mm，w3=11.7 mm，w2=0.5 mm，L1=1.08 mm，L2=1.5 mm，L3=3.4 mm，L4=3.95 mm。图8中三条曲线分别描绘出未加滤波器的天线、滤波器和滤波天线回波损耗随频率的变化，在通带的中心频率8.01 GHz频点处滤波天线的回波损耗为21.14 dB，滤波天线的10 dB通带带宽为4.9%。

可以看到，相比于传统天线，设计的滤波天线在期望的阻带频率上具有陡峭的截止特性，实现了高选择性的要求。

图8 滤波天线与传统微带贴片天线S11参数曲线对比

为了保证天线在通带范围内具有良好的辐射特性，分析了8.01 GHz该频点的方向图，如图9所示。从上述方向图可以看出，滤波天线的增益约为5.69 dB。滤波天线在8.01 Hz该频点的三维增益方向图分别如图10所示，天线具有较好的辐射性和一定的稳定性的特点。

图9 8.01GHz该频点处的方向图

图10 三维增益方向图

4 结 语

本文是基于FDTD算法对微带贴片天线和微带带通滤波器进行正确性的验证；通过在传统天线的馈线上加载滤波器，实现了传统天线在期望的阻带上具有陡峭的截止特性，极大的增强了带内选择性和带外抑制特性，实现了高选择性。通过对微带贴片天线馈线上加载滤波器，又可以改善传统天线的阻抗匹配问题，集阻抗匹配和滤波为一体，实现了小型化的要求。