一种应用于2.4 GHz的宽带差分微带滤波天线

王鹏飞，张海福，朱海波

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着电子对抗装备的快速发展，系统对天线提出了更高的要求。由于微带天线具有结构紧凑、重量轻等优点，在现代电子对抗系统中得到了广泛的应用。由于射频前端有时采用差分信号的形式进行设计，因此，差分馈电的微带天线显得格外重要[1]。

近年来，国内外出现了许多天线与滤波器的协同设计方案。相较于传统的天线与滤波器单独设计的思路，协同设计滤波天线，大大降低了系统的结构复杂度，减小了插损，降低了加工成本，这给无线通信系统的设计提供了新的思路。对于微带滤波天线而言，可以把设计方案归结于以下几种：第一种，将微带天线作为滤波器的最后一级谐振结构和负载。采用这种设计思路可以大大降低滤波天线的整体尺寸，同时天线具有良好的滤波特性。如文献[2]提出的差分馈电的滤波天线阵列以及文献[3]的单天线。第二种，在原有的天线结构基础上，加载特定的滤波结构，对特定频段的信号进行陷波处理，如文献[4]在印刷单极子天线的馈线中加载开口环谐振结构，使得天线带内出现一个或多个陷波频点，对特定频率的干扰信号进行滤除。第三种，在天线结构的前端直接加载滤波器结构，将滤波结构与天线进行协同仿真设计，避免了使用同轴电缆连接时引入的阻抗突变与插损。文献[5]采用这种设计方案，保留了设计的灵活性，天线与滤波器一定程度上可以分开设计，设计难度较小，易于控制。其设计的天线为宽带PIFA天线，在天线前端直接加载了文献[6]的滤波器，既保证了天线的带宽，也实现了滤波特性的集成。在宽带天线设计中，使用第三种设计方案更加便捷，因此本文也使用了该分立设计方法。

传统的微带天线工作带宽一般较窄。将微带天线作为滤波结构的最后一级谐振器与负载的设计方案，对天线的带宽提升不大，因此采用这种方案设计的天线往往工作在点频，不能够满足系统的要求[7-9]。为了提升天线的工作带宽，最直接的方式就是增大天线的剖面高度，将天线辐射体与地板分开，在中间填充空气作为介质，通过这种方式可以大大增加天线的工作带宽[10-11]。然而使用这种方式拓展天线工作带宽的同时也严重增加了天线的剖面高度与结构复杂度，破坏了微带天线原有的紧凑结构的优势。本文设计的天线在未加载额外的空气介质的基础上，采用寄生贴片加载的方式对天线的工作带宽进行了拓展，其工作带宽拓展到传统差分微带天线的1.71倍，且整体的剖面高度未发生变化，为0.027λ。天线的滤波特性是通过加载一三阶平行耦合微带滤波器实现的，采用这种设计方案，可以对天线与滤波器分开设计，保留了设计的灵活性，同时也保证了天线的工作带宽。并且多模工作的微带天线其等效模型较为复杂[12]，这也是本文使用分离设计的一个原因。

1 天线设计

1.1 天线结构

天线结构如图1所示，天线由主辐射贴片与寄生辐射贴片构成，寄生贴片共面地加载在主辐射贴片的两条非辐射边沿外，通过主辐射贴片与寄生贴片之间的缝隙对寄生贴片进行耦合激励。天线采用底馈的方式进行馈电，两个馈电点的位置如图1(a)所示。天线的地板位于中间层，通过短路探针，将顶层与底层的馈电网络连接，如图1(b)所示。天线印刷在介电常数为2.65、厚度为2.4 mm的F4B介质基板上，底层的馈电网络印刷在介电常数为2.65、厚度为1 mm的F4B介质基板上。最后，两块介质基板被压合到一起，中间未引入任何空气介质层，维持了天线的紧凑结构。

图1 天线结构Fig.1 Structure of the proposed antenna

1.2 寄生贴片的影响

为了阐述寄生贴片对天线带宽的影响，图2分别给出了加载寄生贴片与未加载寄生贴片的情况下，天线的阻抗带宽对比。从图中可以看出，在未加载寄生贴片前，天线的阻抗带宽为2.87%(2.4～2.47 GHz)，寄生贴片加载后，天线的阻抗带宽拓展为4.92%(2.38 ～2.5 GHz)。相较于传统的差分微带天线，共面地加载了寄生贴片之后，其工作带宽拓展到了原先的1.71倍，且未改变天线的剖面高度，也没有引入空气介质层，维持了其紧凑的物理结构。

图2 寄生贴片加载前后阻抗带宽对比图Fig.2 Comparison of the impedance bandwidth with and without parasitic patches

2 滤波器及滤波天线设计

2.1 滤波器结构

本文采用的滤波器形式是目前使用较为广泛的平行耦合微带滤波器，为一个三阶巴特沃兹型带通滤波器，其详细设计方法可以参考文献[13]。图3给出了本文使用的滤波器结构图与具体的设计参数，其各段传输线的长度分别为20.4,20,20,20.4 mm，其对应的线宽分别为2.33,2.33,2.64,2.33 mm，除此之外，各段传输线之间的缝隙宽度分别为0.2,1.7,1.7,0.2 mm。图4给出了滤波器的HFSS仿真结果，从反射系数曲线和传输系数曲线可以看出，滤波器在整个工作频带内具有良好的选择特性，其工作带宽为2.38～2.54 GHz 可以完全覆盖天线的工作带宽。

图3 天线底层滤波器结构示意图Fig.3 Structure of the filter

图4 滤波器仿真结果Fig.4 Simulation results of the filter

2.2 滤波天线设计及仿真结果

按照图3所示的方式将滤波器加载至天线底层的馈电网络之中，通过金属化过孔，连接天线的顶层与底层，形成完整的滤波天线设计。图5给出了最终天线的阻抗带宽分布与边射增益分布。

图5 滤波天线仿真结果Fig.5 Simulation results of the filtering antenna

从图5中可以看出，天线具有较宽的阻抗带宽，为2.39 ～2.53 GHz，与辐射天线带宽本身和滤波器带宽保持一致。将二者用短路探针级联后，保持了原有的优良特性，同时缩小了系统整体的复杂度与尺寸，省去了同轴线连接所引入的阻抗适配与插损。从天线最终的边射增益可以看出该天线具有良好的滤波特性，其通带内增益平稳，带外具有较好的选择特性，达到设计预期。

3 天线实测结果

为了验证本设计的准确性，加工了一个如前文所述的天线模型，介质基板分别选用厚度为2.4 mm与1 mm的F4B材料，天线的辐射结构印刷在介质的顶层，地板印刷在中间层，滤波器及馈电结构印刷在介质基板的底层。图6给出了加工天线的实物照片。由于实测环节中，需要使用SMA接头与矢量网络分析仪器相连，但天线的地板位于两层介质中间，无法直接将SMA接头焊接在天线上。因此在天线的馈线边缘加载了共模波导转微带线的处理，且将位于底层部分的地板通过位于介质基板边沿的半金属化过孔与位于介质中间层的地板相连。

图6 天线实物图Fig.6 Physical picture of the proposed antenna

图7给出了加工天线的实测阻抗带宽与边射增益，从中可以看出，其实测阻抗带宽为2.38～2.53 GHz，与仿真结果一致；天线的实测峰值增益为9.55 dBi。图8给出了天线在中心频率处的E面与H面实测与仿真方向图。从图中可以看出，天线实测方向图与仿真基本一致，天线具有良好的单向辐射特性，且其交叉极化特性良好。存在的偏差主要是由测试环境的非理想、测试时差分馈电的相位与幅度的偏差、天线后向辐射受到远场测试环境的支撑机构干扰等因素决定。

图7 天线实测与仿真数据对比Fig.7 Simulated and measured results of the proposed antenna

图8 天线方向图Fig.8 Pattern of the proposed antenna

4 结束语

本文提出了一种加载了三阶巴特沃兹带通滤波器的差分馈电宽带微带滤波天线。天线本身与传统的差分馈电微带天线相比，其工作带宽得到了有效拓展，为原先的1.71倍。天线具有良好的滤波特性，其通带内天线的峰值增益达到了9.55 dBi，且其3 dB增益带宽完全覆盖了阻抗带宽。其工作带内天线方向图具有良好的单向辐射特性，且交叉极化特性良好，不存在裂瓣的问题。除此之外，相较于现有的宽带差分微带滤波天线，本文设计的天线具有非常低的剖面高度，仅为中心频率的0.027个波长，且不存在任何空气介质层的填充，具有紧凑的结构。