基于CSRR-DGS的高选择性宽带滤波天线设计

崔林威，余世星，寇 娜，张正平

(贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025)

随着第五代移动通信系统的日臻成熟，滤波天线作为一种把天线和滤波器集成化设计的一种新型微波器件越来越受到广大研究人员的青睐[1]。滤波天线这种将天线和滤波器协同设计的方法不但省去了滤波器和天线之间的阻抗匹配电路，从而实现微波器件的小型化，降低整体电路的插入损耗，而且在很大程度上改善了天线的抗干扰效果[2]。

目前，滤波天线的实现方法总体上分为两种[3-4]。一种滤波天线的实现方法是在天线的辐射贴片上加载枝节或者刻蚀缝隙从而改变天线的辐射模式[4]，通过这种方法设计的大多是一些窄带天线或是一些陷波特性天线[4-5]，比如在微带贴片天线上引入缝隙实现谐波抑制等。另一种实现途径是在天线的馈线上加载滤波器设计具有滤波效果的抗干扰天线。文献[6]提出的一种高选择性低剖面滤波端射天线，将带阻滤波元件集成到常规准Yagi天线的馈线中，仿真和实测结果显示在通带的高频边缘天线具有良好的频率选择效果。文献[7]主要通过在不影响天线辐射特性的前提下在全向偶极子贴片天线的馈电网络中加载U形微带线和工形槽来实现天线的滤波特性,最终设计出一款低剖面偶极子全向滤波天线。

本文在文献[6]和[7]设计的基础上，利用传统准Yagi天线的端射形式，通过在天线的金属地上加载一种正八边形CSRR缺陷地结构(Defected Ground Structure,简称DGS)达到滤波效果；最终通过天线和缺陷地带阻滤波器的综合设计方法，巧妙设计出一款高选择性低交叉极化宽带端射滤波天线。该滤波天线在未来5G通信和卫星通信领域都将会拥有非常广阔的应用前景和应用价值。

1 滤波天线结构设计

本文设计的滤波天线整体上由传统的准Yagi天线和CSRR-DGS带阻滤波器协同设计而成。采用基板相对介电常数为2.65，基板厚度1 mm，损耗正切为0.006。DGS刻蚀缝隙的宽度取0.2 mm。如图1所示，滤波天线的整体结构主要由微带馈线、一对L形偶极子驱动器、条形金属带和蚀刻有正八边形CSRR-DGS图案的金属地组成。馈线、条形金属带和一个L形偶极子位于顶部，而另一个偶极子则位于基片底部接地面上。通过在高频电磁场仿真软件HFSS15中仿真计算得到天线的详细参数如下：

L=55 mm,W=35 mm,GL=23 mm,W1=2.63 mm,W2=2 mm,W3=1.3 mm,W4=0.17 mm,W5=0.74 mm,L1=32 mm,L2=8.3 mm,L3=13.2 mm,L4=5.5 mm,L5=18 mm,g=0.3 mm，R1=2.6 mm，R2=2.2 mm。

图1 滤波天线结构图Fig.1 The structure diagram of the filter antenna

2 实验仿真结果与分析

图2 DGS对天线的回波损耗的影响Fig.2 Effect of the DGS on antenna return loss

图3 滤波天线增益曲线仿真结果Fig.3 Simulated results of the Filter antenna gain curve

图2是本文设计的加载CSRR-DGS的新型滤波天线和原天线在HFSS15高频电磁仿真软件中回波损耗曲线的对比仿真结果。在3.6～4.7 GHz的通带内，天线的反射系数S11<-10 dB,相对带宽达到26.5%；滤波天线的回波损耗曲线在通带的上升边缘更加陡峭，与传统的准Yagi天线相比，带外有明显的截止特性，频带隔离度好，抗干扰性强。

图3是滤波天线增益随频率变化的曲线，在增益曲线的低频带边缘和高频带边缘分别存在两个辐射零点。滤波天线在3.6～4.7 GHz频带内，增益均大于2 dBi，最大增益达到4.6 dBi；天线在3.7～4.7 GHz的宽带范围内增益起伏小于1 dBi，增益起伏平稳，具有良好的辐射稳定性。

图4是滤波天线分别给出天线工作频带内4.0 GHz和4.5 GHz两个谐振点上辐射方向图，根据天线的放置位置坐标和方向图的辐射效果，天线很好地实现了端射的辐射效果。

图4 不同频点滤波天线的增益方向图Fig.4 Radiation pattern of the antenna at different frequencies

图5 不同频点滤波天线的极化方向图Fig.5 Polarization pattern of the antenna at different frequencies

图5分别给出了滤波天线在4.0 GHz和4.5 GHz两个频点上的极化方向图，可以观察到天线在工作带宽内E面和H面辐射方向图均处在较低的交叉极化水平。

3 结语

本文在传统的端射天线的基础上结合CSRR缺陷地结构的带阻特性，将天线和滤波器的设计方法综合，巧妙设计了一款工作在C波段的高频率选择性低交叉极化宽带端射滤波天线。通过在天线的反射型金属地上蚀刻CSRR型缺陷图案，在天线工作频带的高频边缘引入辐射零点，提高频带上边缘的频率选择性；最终所设计滤波天线的相对带宽达到26.5%，实现了宽频带，最大增益达到4.6 dBi，天线在3.7～4.7 GHz内增益起伏小于1 dBi，辐射稳定性好，并且在工作频带内实现了较低的交叉极化水平。本文所设计的滤波天线在未来5G通信和卫星通信领域都将拥有着广阔的应用前景和价值。