多层结构滤波贴片天线阵列的设计

王天一 刘金澎 何茜芸

摘  要：提出了一种工作在3.9 GHz的平面2×2滤波微带贴片天线阵列的设计方案。阵列由四个贴片天线构成，分别由两个多层馈电网络激励。馈电网络包含一个功分网络和两个谐振器，谐振器之间采用矩形缝隙耦合。天线的激励由层间电磁耦合馈电方式，并利用贴片天线模式正交和滤波天线的频率选择特性，提高两个端口之间的隔离度。天线两个端口的辐射模式分别是TM10模和TM01模，带宽均为3.69～4.14 GHz，相对带宽均为11.5%，两个端口之间的隔离度大于32 dB。天线阵列的增益为11.6 dB，并具有14 dB的带外抑制水平。

关键词：滤波天线；贴片天线阵列；多层耦合结构；正交极化

中图分类号：TN822  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）15-0049-05

Design of Filtering Patch Antenna Array with Multi-layer Coupling Structure

WANG Tianyi， LIU Jinpeng， HE Qianyun

（Southwest China Research Institute of Electronic Equipment， Chengdu  610036， China）

Abstract： This paper proposes a design scheme of plane 2×2 filter micro-band patch antenna array which is works at a center frequency of 3.9 GHz. The array consists of four patch antennas， and it is excited by two multilayer feeding networks separately. The feeding network consists of a power-divider network and two resonators with rectangular slot coupling structure. The antenna is fed by interlayer electromagnetic coupling and uses the frequency selection characteristics of the patch antenna mode orthogonal and the filtered antenna， so as to improve the isolation between the two ports. The radiation modes of the two ports are TM10 mode and TM01 mode separately， and both bandwidths are 3.69～4.14 GHz， the relative bandwidth is 11.5%， and the isolation between the two ports is greater than 32 dB. The antenna array has a gain of 11.6 dB and has an out-of-band inhibition level of 14 dB.

Keywords： filtering antenna; patch antenna array; multilayer coupling structure; orthogonal polarization

0  引  言

天线作为通信设备中电磁波信号的出入口，是决定通信质量的决定性因素之一。合理的天线设计可以缓解射频前端的压力，进而提升通信质量。近年来，频谱资源日益紧张，通信设备对射频前端的选频特性的要求也越来越苛刻。传统射频前端通常包括天线、滤波器等微波器件，天线用于收发信号，收发链路上的滤波器实现射频前端的选频特性。然而，随着通信技术的不断发展，小型化、集成化、智能化、多样化成为通信设备的主要发发展方向，这就要求射频前端需要具备同时处理多个频段或者多种通信信号的能力。这一能力的提升往往通过增加射频前端的收发链路来实现，但传统的分布式无源器件架构会带来系统体积增大、链路损耗增加、不同链路信号相互干扰等一系列问题。另一方面，半导体产业的发展使得有源芯片的集成度和性能得到了明显的提升，极大促进了射频前端的集成性能，这也使分布式无源器件架构的尺寸成了制约射频前端体积的重要因素。

为适应通信系统的需求，滤波天线逐渐成为集成器件的研究重点[1，2]。滤波天线是从天线设计的角度出发，将射频前端中的滤波功能融合到天线设计当中。将天线和滤波器进行一体化设计，一方面使天线既具备辐射电磁波的功能，又具有选择工作频段、抑制杂波信号的能力，这能够剔除噪声干扰，提高系统的信噪比和抗干扰能力。另一方面，这种设计去除多余的匹配网络和馈线，减少需要匹配的端口数量，能够减小系统体积和重量的、提高信号的传输效率，进而提升系统的性能。

双极化天线因其能够对频段进行重复利用，提供多种极化方式使信道容量成倍增加，并降低损耗，故在无线通信系统中得到了广泛的应用。双极化微带贴片天线的实现方法主要有微带线共面馈电贴片天线[3]、缝隙耦合微带天线[4]、探针馈电双层微带贴片天线[5]等。此外，双极化天线中，保持高端口隔離对于双极化贴片天线至关重要。关于提高双极化贴片天线端口隔离的方法也有许多工作进行了讨论。如采用差分馈电网络改善贴片天线的差分模式来改善端口隔离[6]，或采用近场消除方法将一个非激励端口放在另一个激励端口的近场零点处以保持端口隔离[7]，以及采用去耦网络，如电磁带隙结构[8]来改善端口隔离。

贴片天线的带宽和辐射性能是近年来天线研究的重要方向之一。邻近耦合微带贴片天线在可以通过增加介电基板的厚度来提高带宽，缝隙耦合多层贴片天线可以将相对带宽提高到40%，并且损耗很低[9]，L型探针馈电方式也能实现23.8%的相对带宽[10]。

本文提出了一种具有较宽的工作带宽的双极化微带贴片天线阵列。带宽的展宽采用矩形微带贴片天线与多层微带馈电网络耦合的形式。馈电网络包含一个功分网络和两个谐振器，矩形微带贴片与微带谐振器的耦合采用分层边缘耦合结构，多层微带结构中，各层谐振器间的耦合采用矩形耦合缝隙结构。天线阵列工作于3.69～4.14 GHz，两个端口之间的隔离度大于32 dB，天线阵列的增益为11.6 dB，并具有14 dB的带外抑制水平。

1  多层结构滤波贴片天线阵列设计

1.1  总体结构

方形贴片具有易于工程制造特点，同时具有良好的正交极化特性。故滤波天线阵列的极化微带天线单元的辐射贴片采用矩形结构。为展宽带宽，采用贴片与多层馈电网络耦合的结构。结构示意图如图1所示。

滤波天线阵列包括三层介质材料，均为Rogers RT5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为9×10-4。介质层1和介质层3的厚度为0.787 mm，第二层介质的厚度为1.575 mm。三层介质材料分别组成0、1、2、3四个平面，形成四层电路。第0平面是天线阵列，由介质层3的一个覆铜面刻蚀得到，第1平面是二阶馈电网络的第1阶谐振器，由介质层3的另一个覆铜面刻蚀得到。第2平面是公共地平面，一方面作为贴片天线单元的接地板，减小单元的背向辐射。另一方面，地平面上开有矩形缝隙，由介质层1的一个覆铜面刻蚀得到，用于馈电网络中第1阶谐振器与第2阶谐振器的耦合。第3平面是二阶馈电网络的第1阶谐振器和输入端口，由介质层1的另一个覆铜面刻蚀得到。介质层2用于每个平面的设计如图2所示。第2平面的结构只有四个矩形孔。

1.2  贴片天线阵列

天线的工作中心频率为3.9 GHz，矩形微带贴片天线的长度按下列公式确定：

式中c表示真空中的光速；f0表示天线的工作频率；ΔL表示等效辐射缝隙长度，且有：

考虑到两端口的工作频率相同，因此矩形贴片天线的长和宽具有相同的尺寸。使用CSTStudio软件对天线单元进行建模仿真，贴片边长约为工作波长的一半，经对天线各个参数进行优化，取边长为23.2 mm×23.2 mm。

四个贴片采用2×2阵列化排列。为避免不必要的互相耦合效应，天线阵元间距不宜小于半个波长。另一方面，为减少辐射图中的多个旁瓣并保持主瓣足够的增益，天线阵元间距不宜超过一个波长。故天线阵元间距的最佳选择通常是半个波长，相互间隔23.2 mm。

对于正交馈电的双极化微带贴片天线，水平极化工作于TM10模式，垂直极化主要工作于TM01模式。为避免激励起高次模，在单元设计时，须对高次模进行抑制，组阵情形需要进行相应的抑制交叉极化手段，以便获得好的交叉极化性能。

天线均布在90 mm×90 mm的第0平面上，如图2（a）所示的浅灰色结构。第1平面内均布4个谐振器，谐振器具有相同的尺寸，其轴向中心线的延长线与矩形贴片天线单元的中心重合，并与每个贴片单元的距离相等，如图2（a）中的黑色结构所示。第3平面为公共地平面，其上均布4个矩形缝隙，位于第1平面内均布4个谐振器的正下方并与这4个谐振器垂直，4个矩形缝隙具有相同的尺寸，如图2（a）的深灰色结构所示。

1.3  馈电网络

为保证2个极化方向具有较好的一致性，2种极化模式采用了相同的馈电方式。天线阵列的馈电网络分别包括两个等价的部分。两个端口均位于第3平面，如图2（b）所示。馈电网络包括一个功分器（图2（b）中的粉色部分）和同平面的两个谐振器（图2（b）中的红色部分）。谐振器的初始长度为与工作中心频率对应的半波长。第3平面的谐振器通过矩形缝隙与第1平面的同频率谐振器耦合，耦合强度通过第2平面的矩形缝隙的尺寸控制。

矩形微带贴片作为天线辐射时易产生高次模。高次模的存在会使极化端口之间出现干扰，降低端口之间的极化隔离度，进面导致交叉极化电平变差。为了取得较高的极化隔离度，天线阵列采用了等幅反相馈电激励阵列天线单元。

由于在天线的馈电网络中引入了谐振器，因此可以实现较宽的天线工作带宽。此时，可以将贴片天线视作一个普通谐振器，与馈电网络中的两个谐振器结合，等效为一个滤波器。此时，可以采用滤波器的设计方法开展设计[11]。根据设计指标，可以得出这个滤波器的耦合矩阵如下：

此时，滤波器的外部耦合品质因子为17.986和13.855。

天线阵列中2×1阵列单元采用如图2（b）中所示的T型功分器合成。对于T型功分器，端口的阻抗为Z0，则2个分口连接处的阻抗为2×Z0。通过一段1/4波长阻抗为1.414×Z0的阻抗变换器，将阻抗为2×Z0的微带线变换为阻抗为Z0。

2  多层结构滤波贴片天线阵列的仿真结果

滤波天线阵列采用CSTStudio进行仿真计算。将设计好的功分网络和天线阵列搭建成完整的4×4阵列天线后进行建模仿真分析，由于天线单元之间存在相互耦合，故天线的尺寸需进行适当的优化；考虑到谐振器之间的耦合，谐振器的尺寸和矩形缝隙的尺寸也有适当的优化。

设计的反射损耗如图3所示。由仿真结果可得，所设计的阵列天线反射损耗优于10 dB，其阻抗带宽约为11.5%。

滤波天线阵列的如图4所示。由仿真结果可得，增益为11.4～12 dB，带宽为3.69～4.14 GHz。带外具有14 dB的增益抑制水平。

图5和图6给出了阵列水平极化和垂直极化在中心工作频率的方向图。图5（a）为二元阵水平极化E面方向图，图5（b）为水平极化H面方向图；图6（a）为垂直极化E面方向图，图6（b）为二元阵垂直极化H面方向图。可以看到，在中心工作频率，微带贴片滤波天线阵列水平极化E 面方向图的交叉极化隔离度在±35°范圍内≥26 dB，水平极化H面方向图的交叉极化隔离度在±35°范围内≥35 dB；垂直极化H面方向图的交叉极化隔离度在±35°范围内≥31 dB，垂直极化E面方向图的交叉极化隔离度在±35°范围内≥33 dB。这表明该滤波天线阵列的水平极化和垂直极化的交叉极化隔离度在±35°范围内具有良好的交叉极化特性。

3  结  论

提出了一种工作在3.9 GHz的平面2×2滤波微带贴片天线阵列的设计方案。阵列由四个贴片天线构成，分别由两个多层馈电网络激励。馈电网络包含一个功分网络和两个谐振器，谐振器之间采用矩形缝隙耦合。天线的激励由层间电磁耦合馈电方式，并利用贴片天线模式正交和滤波天线的频率选择特性，提高两个端口之间的隔离度。天线两个端口的辐射模式分别是TM10模和TM01模，带宽均为3.69～4.14 GHz，相对带宽均为11.5%，两个端口之间的隔离度大于32 dB，天线阵列的增益为11.6 dB，并具有14 dB的带外抑制水平。

参考文献：

[1] 赵后亮，尹家贤.一种S波段宽带微带贴片天线阵列的设计 [J].现代电子技术，2012，35（23）：109-111.

[2] 王德乐，黄季甫.一种新型宽带低副瓣微带贴片阵列天线的设计 [J].无线通信技术，2018，27（1）：39-42.

[3] 朱彦军，杨硕.一种C波段的矩形微带天线设计 [J].通信技术，2018，51（10）：2516-2520.

[4] 曹成云，柴舜連，刘亿荣，等.一种宽带缝隙耦合微带天线阵列的设计 [J].微波学报，2022，38（2）：18-23.

[5] 荣志鹏，李丽娴，邵晓龙，等.宽频带低剖面微带天线应用 [J].无线电工程，2020，50（2）：158-161.

[6] TA S X，NGUYEN-TRION N，NGUYEN V C，et al. GBroadband Dual-Polarized Antenna Using Metasurface for Full-Duplex Applications [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2020，20（2）：254-258.

[7] WU D，ZANG Y，LUYEn H，et al. A compact，low-profile simultaneous transmit and receive antenna with monopole-like radiation characteristics [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2019，18（4）：611-615.

[8] XUN J，SHI L，LIU W，et al. A self-interference suppression structure for collinear dipoles [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2019，18（10）：2100-2104.

[9] CIYDEM M，KOC S. High isolation dual‐polarized broadband antenna for base stations [J].Microw Opt Technol Lett，2015，57（3）：603-607.

[10] LOW X N，CHEN Z N，TOH W K. Ultrawideband suspended plate antenna with enhanced impedance and radiation performance [J].IEEE Trans Antennas Propag，2008，56（8）：2490-2495.

[11] WU Y，WANG Y. A Microstrip Filtering Patch Antenna with Asymmetric Gain Response [M].Madrid：EuMW Conference Proceeding，2018.