一种新型低剖面宽带端射滤波天线设计

崔林威，杨 俊

(中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 扬州 225101)

0 引 言

在无线移动通信设备快速发展成熟的今天，通信设备正不断向着体积小型化、功能集成化、应用场景多元化的方向发展。滤波天线作为一种体制新颖的一体化多功能微波元器件，受到大批国内外微波技术研究人员的关注。滤波天线的设计思路是在保留原有天线辐射特性的前提条件下将天线辐射元部分和滤波电路部分作为一个整体微波元件设计。这种设计方法由于没有滤波器和天线单元之间的阻抗匹配网络，在一定程度上不但大幅减小了整体尺寸，而且降低了整个系统的插入损耗。

从大量关于滤波天线设计的研究文献中大致可以总结出2条实现路径。一种设计思路是基于微带滤波器的综合设计方法，这种设计方案的核心思想是将天线辐射元集成到滤波器多级谐振电路的最后一级谐振电路，这种方法更侧重于对带通滤波器的设计。其中，文献[4]通过在贴片天线的馈电网络部分集成U型微带结构以及蚀刻工字形开槽，从而实现具备滤波特性的偶极子天线。文献[5]通过将微带直接加载到准Yagi天线的馈线部分，设计得到一种基于微带支节加载的滤波天线。文中的实验结果显示，在通频带上下频带边缘均具有出色的频率选择效果。另一种思路是基于天线的综合设计方法，它主要是在天线辐射表面或馈线中加载寄生元件产生辐射零点，通过这种方法可以快速实现窄带天线以及具有陷波特性的超宽带滤波天线设计，比如在微带贴片天线上引入缝隙能够轻松实现谐波抑制等。第1种基于滤波器综合设计的方法可以在任何频段灵活设计，但会占用相对较大的尺寸。第2种设计方法具有体积紧凑的优点，但是如果期望的频带或其他规格改变，寄生元件难以进行综合调谐。

本文在文献[5]设计的基础上，使用基于缺陷地结构的带阻滤波器代替带通滤波器实现高频部分的频率选择性。其主要综合了天线和带阻滤波器的设计思路，利用缺陷地结构(DGS)的高阻特性，在微带天线的反射金属地上蚀刻方形互补开口谐振环(CSRR)缺陷地图案，最终巧妙设计出一种新型端射滤波天线。该滤波天线在通信雷达制导领域将会拥有广阔的应用前景。

1 开口谐振环DGS设计

1996年，以Pendry为首的研究团队在研究中发现了周期性排列的开口谐振环表现为负的磁导率这一重要的物理特性。本文中要介绍的是一种在金属地上刻蚀开口谐振环图案的DGS结构。由于这种DGS结构在物理参数上表现为阻抗的不连续性，因此呈现出很强的带阻效果。图1为其三维结构模型以及等效电路图。

图1 开口谐振方形环DGS单元结构及特性分析

在缝隙宽度和相邻缝隙之间距离不变的前提下，开口谐振环缝隙总长度4-直接决定了等效电感的大小，开口宽度的取值决定了等效电容的大小。根据图中的参数仿真结果，并联回路的阻抗值可以表示为：

(1)

电容的阻抗值可以写成：

(2)

当+=0时，并联支路谐振，谐振频率表示为：

(3)

根据上面对CSRR-DGS结构单元的物理机理分析和仿真计算，方形环缝隙外环的周长和缝隙之间的间距决定了等效电路中电感和电容的取值大小。并联支路发生谐振的频率决定了带阻滤波单元中心频点的大小。

2 天线结构设计

天线的平面结构如图2所示，非平衡的微带巴伦作为端射天线的馈线和一对对称的L型偶极子天线分别位于介质基板的上下表面。介质基板的底面是一层刻蚀着CSRR图案的缺陷地结构单元。介质基板选用成本较低的F4B板材，其相对介电常数2.65，厚度为1 mm，损耗角正切为0.006。通过在商用电磁仿真工具HFSS15.0中仿真优化得到天线在最佳滤波和辐射特性的详细结构尺寸(单位：mm)：

图2 基于方形CSRR-DGS的滤波天线平面图

=55 mm,=35 mm,=23 mm,=2.63 mm,=2 mm,=1.3 mm,=0.17 mm,=0.74 mm,=32 mm,=8.3 mm,=13.2 mm,=5.5 mm,=18 mm,=0.4 mm。

3 实验仿真结果与分析

图3给出的是未加载任何滤波结构的端射天线和本文设计的滤波天线回波损耗的对比结果。虚线表示未加载任何支节的端射天线的回波损耗，在3.6～4.7 GHz的频带范围内，其回波损耗低于-10 dB；实线是加载CSRR-DGS的滤波天线的回波损耗的仿真结果，该滤波天线在3.6～5.4 GHz的宽带范围内均满足-10 dB以下，滤波结构的引入使得天线的相对带宽拓宽到40%。该滤波天线在3.8 GHz、4.3 GHz、5.3 GHz均发生了显著的谐振，而且在通带的上边缘也变得非常陡峭。因此，多模谐振不但可以有效拓宽天线的工作带宽，而且可以使天线获得良好的带外抑制效果，抗干扰性更强。

图3 本文设计的滤波天线与原天线回波损耗仿真结果

图4是本文设计的滤波天线和未加载任何支节的端射天线增益曲线随频率变化的结果。其中虚线表示原端射天线增益随频率变化的曲线；实线表示本文设计的滤波天线增益随频率变化的曲线。与原端射天线的增益曲线相比，该滤波天线的增益随频率的变化更为平缓。该滤波天线在4.7 GHz和5.3 GHz的增益分别取得最大值和最小值，最大增益为5.01 dBi；在天线的整个工作带宽内，该滤波天线的平均增益约为4.45 dBi，最大增益与最小增益的插值约为1.1 dBi，辐射较为稳定。增益曲线的结果显示本文设计的滤波天线工作带宽范围内，带外抑制约为-17 dBc，带外抑制良好。

图4 本文设计的滤波天线与原天线增益曲线的仿真结果

4 方向图分析

图5为本文所设计的滤波天线分别在3.8 GHz、4.3 GHz、5.3 GHz等不同谐振频点处E面和H面的方向图，天线增益的最大值基本稳定在轴线方向，增益最大值约为5.0 dBi。

图5 所设计滤波天线不同谐振频率处E面和H面的方向图

5 对比分析

图6是本文设计的滤波天线与参考文献[5]中滤波天线的对比分析结果。虚线代表的是未加载任意支节的端射天线的回波损耗随频率变化的曲线；带有三角形标记的实线是本文设计的宽带滤波天线的回波损耗曲线；圆形标记的实线是基于支节加载的滤波天线回波损耗的仿真结果。根据图中3条曲线对比结果，本文设计的滤波天线的阻抗带宽基本覆盖3.6～5.4 GHz的频率范围。与文献[5]和原端射天线相比，该滤波天线的阻抗带宽更宽，达到了40%。而且本文设计的滤波天线在通频带的下降边缘和上升边缘都非常陡峭，带外抑制特性更好。因此，本文设计的基于CSRR-DGS的滤波天线具有更宽的带宽和更佳的带外抑制效果。

图6 本文所设计的滤波天线与参考天线的对比结果

6 结束语

本文提出一种基于CSRR-DGS的新型端射滤波天线，通过在天线的金属地上蚀刻一组对称的方形互补开口谐振环，不仅提高了天线的通带选择性，而且利用缺陷地结构的高阻特性锐化了通带到阻带的过渡边缘；与加载带通滤波器的滤波天线相比，由于选择的带阻滤波器的中心频率略高于带通滤波器的中心频率，因此本文设计的滤波天线还拥有更小的结构尺寸。