具有高选择性和谐波抑制的滤波天线设计

诸葛琪皓， 张文梅， 马润波， 陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

随着无线通信的发展， 越来越多的频段被发掘和使用， 也带动了天线技术的发展和性能的优化. 如何使天线在工作时具有良好的选择性和宽的谐波抑制特性， 是大家越来越关注的问题.

近年来， 针对宽谐波抑制特性的天线和高选择性的滤波天线的研究已经有了大量的设计成果， 然而同时集高选择性和宽谐波抑制特性两者于一体的滤波天线研究还比较少. 关于谐波抑制的研究中， 文献[1-2]都提出了一种采用3个矩形缺陷接地结构(DGS)的微带馈电缝隙天线， 能抑制3 GHz～10.5 GHz之间的二次谐波和三次谐波,有效实现了宽带谐波抑制. 还有一些谐波抑制的研究设计中分别使用1对高度紧凑的开口环缺陷接地结构[3]， 1对圆头哑铃形DGS[4]和小型化的U型DGS[5]， 并都在馈线上增加开路短截线， 有效地抑制了三次谐波. 文献[6-7]都提出了一种在微带线上嵌入谐振器的方法， 有效地抑制了二次和三次谐波， 实现了宽谐波抑制特性.

为了将滤波器和天线的功能集成在一起， 提高天线的选择性， 很多学者对滤波天线进行了研究. 文献[8]通过在传统微带天线的贴片上刻蚀出缝隙引入辐射零点， 产生了尖锐的频带滚降和良好的选择性， 具有辐射零点易控制， 结构简单的特性. 也有一些同轴馈线天线， 采用在贴片和接地层上蚀刻开口环槽的方法来产生辐射零点[9-10]. 文献[11]研究了一种用于海上通信的高选择性滤波贴片天线阵列， 采用缝隙耦合方法实现了高频段的谐波抑制， 利用分叉馈线的混合馈电效应， 同时通过辐射贴片和寄生贴片之间的辐射抵消效应， 引入了两个辐射零点， 提高了选择性.

本文设计了一款结构简单的具有高选择性和宽谐波抑制特性的滤波天线. 通过在辐射贴片上蚀刻一对缝隙和在地面上引入开口环DGS， 引入了两个辐射零点， 提高了选择性；

通过在接地板上蚀刻两个哑铃型DGS和在馈线上加载一个圆形短截线， 谐波抑制达到4.8f0. 该设计天线可以工作在2.34 GHz～2.42 GHz.

1.1 天线结构

本文设计的天线如图 1 所示. 天线制作在相对介电常数为4.4， 厚度为1.6 mm， 介质损耗角正切为0.02的介质基板FR4上， 介质板的上层是边长为L的正方形辐射贴片， 通过50 Ω端口连接一段长度为L1的微带线为贴片馈电， 且在距离微带线馈电点d1处加载一个终端为圆形的开路短截线， 用于抑制高次谐波.

(a) 天线顶层

在贴片上蚀刻1对长度为L2的缝隙， 用于引入1个辐射零点， 提高通带边缘的选择性， 在微带馈线末端蚀刻出1对长度为x0的缝隙用于改善天线的阻抗匹配. 介质板的下层是接地板， 蚀刻1对矩形哑铃型DGS和1个开口环DGS， 分别用于进一步抑制高次谐波和引入辐射零点. 天线各部分的尺寸参数如表 1 所示.

表 1 天线各部分的尺寸Tab.1 The parameters of antenna

1.2 宽谐波抑制特性设计

根据单个哑铃型DGS的幅频响应具有低通和单极点带阻特性， 在微带馈线的下方蚀刻了2个结构完全相同的DGS结构， 且为了进一步提高谐波抑制效果， 在微带线上加载1个圆头形开路短截线， 结构如图 2 所示. 本文设计的DGS相关尺寸参数如表 2 所示.

表 2 哑铃型DGS的尺寸Tab.2 The parameters of dumbbell DGS

对于设计的2个哑铃型DGS和微带线上的混合结构， 以二阶巴特沃斯滤波器的电路为原型对图 2 结构进行等效电路的建模， 如图 3 所示. 每1个DGS结构用1个LC并联电路等效. 圆头形开路短截线用LC串联电路等效. 在该等效电路中，Lp取决于矩形DGS的面积，Cp由两个矩形DGS的间隙间距c1控制. 电容Cs由圆形金属贴片决定， 电感Ls由宽为s1， 长度为c的短截带决定.

图 2 DGS结构+短截线Fig.2 Configuration of DGS and stub

图 3 等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram

图 4 给出了在设计天线上加载不同结构的S11参数仿真结果， 从图中可以看出， 只加载2个DGS结构能很好地抑制三次谐波， 并且对四次谐波有较好的抑制效果. 在9 GHz～11 GHz范围内， 反射系数能完全抑制到了-3 dB以上. 而只加载短截线结构对二次谐波也有较好的抑制效果， 能将5 GHz附近的谐波抑制到-5 dB， 但是对四次谐波的抑制效果不是很明显，S11在9 GHz～10 GHz 范围内有良好的抑制表现， 却在10 GHz～11 GHz范围内无法实现谐波抑制. 当在天线中同时加入2个结构时， 可以发现能很好地抑制四次以下的谐波，S11参数在3 GHz～12 GHz 均大于-3 dB， 实现了良好的阻带抑制.

图 4 S参数仿真结果对比Fig.4 Comparison of S-parameter simulation results

1.3 高选择性设计

在实现四次以下谐波抑制的基础上， 为了提高天线的选择性， 通过在正方形辐射贴片上蚀刻1对矩形缝隙和在接地面上蚀刻1个开口环， 分别引入了2个辐射零点， 提高了通带两边的选择性.

图 5 为天线在不同结构下的增益曲线， 从图中可以看出， 未加入滤波结构的天线增益曲线在工作频带附近选择性较差. 当加入了1对矩形缝隙后， 在2.32 GHz处引入了第1个辐射零点， 提高了下边带的滚降率. 在此基础上通过在接地板上蚀刻1个开口环， 又在2.80 GHz处引入了第2个辐射零点处， 有效地提高了上边带选择性.

图 5 不同结构下的增益曲线Fig.5 Realized gain responses at different structures

为了说明蚀刻矩形缝隙和开口环对辐射特性的影响， 图 6 分别给出了2.45 GHz, 2.32 GHz和2.80 GHz处天线的电流分布. 从图中可以看出， 在2.45 GHz处， 电流集中分布在贴片上且贴片上的电流方向都是同相， 因此， 天线可以正常向外辐射. 在2.32 GHz处， 两个矩形缝隙内侧和外侧的电流方向相反， 电流相互抵消， 导致了天线的增益降低， 天线不能正常向外辐射， 因此， 产生了辐射零点. 在2.80 GHz处， 由于在接地面上蚀刻一个开口环之后， 接地面形状的改变影响了辐射贴片上的电流分布， 辐射贴片上部的电流分布沿着垂直中轴线是镜像对称的， 强电流主要集中在贴片上部中间， 左右两侧的电流方向相反， 且辐射贴片上部的大部分弱电流与下部的大部分弱电流也反向， 相互抵消， 最终导致天线不能正常向外辐射， 因此， 产生了辐射零点.

(a) 2.45 GHz处

在天线设计中发现， 哑铃型缺地陷结构的尺寸和位置， 短截线的尺寸和位置等参数会影响谐波抑制的效果；

贴片上蚀刻的矩形缝隙长度和开口环DGS的长度会影响辐射零点的位置.

图 7 为哑铃型DGS矩形宽度b1对谐波抑制的影响. 在阻带5 GHz～12 GHz中可以看到， 随着b1的减小， 7 GHz～8 GHz处的三次谐波抑制效果越来越好， 对12 GHz处的谐波也有一定的抑制作用.

图 7 b1对谐波抑制的影响Fig.7 The influence of b1 on harmonic suppression

图 8 为圆头形开路短截线长度c对谐波抑制的影响. 在阻带5 GHz～12 GHz中， 可以看到， 随着c的减小， 对5.5 GHz～6.5 GHz处的二次谐波有很好的抑制作用， 当c=1.8 mm时， 二次谐波被完全抑制. 同时， 在高频段10 GHz～12 GHz 处，c越小， 四次谐波抑制效果越明显.

图 8 c对谐波抑制的影响Fig.8 The influence of c on harmonic suppression

图 9 为矩形缝隙长度L2对下边缘辐射零点位置的影响.从图中可以看出，L2长度的变化只影响第1个辐射零点的频点位置， 随着L2长度的增大， 辐射零点往低频段移动.

图 9 L2对辐射零点的影响Fig.9 The influence of L2 on radiation null

图 10 为开口环DGS的末端长度la3对上边缘辐射零点位置的影响.从图中可以看出，la3的长度只会影响第2个辐射零点的频点位置， 随着la3的增大， 辐射零点往低频段移动. 所以， 通过调节矩形缝隙的长度和开口环DGS末端线的长度可以独立调节上下边带辐射零点的位置.

图 10 la3对辐射零点的影响Fig.10 The influence of la3 on radiation null

图 11 为设计滤波天线的加工实物图， 天线顶层为辐射贴片， 天线底层为接地面， 整体尺寸为60 mm×40 mm.

(a) 天线顶层

图 12 给出了设计滤波天线仿真和测量的S11参数和增益. 从图中可以看出， 仿真的中心频率为2.45 GHz， 工作通带为2.42 GHz～2.49 GHz， 测试的中心频率为2.38 GHz， 工作通带为2.34 GHz～2.42 GHz. 在增益曲线图上可以观察到， 仿真的最大增益达到1.85 dBi， 在通带两边的2.32 GHz和2.80 GHz处产生了2个辐射零点， 测试的最大增益为1.41 dBi， 在通带两边的2.28 GHz 和2.70 GHz处产生了2个辐射零点， 在3 GHz～12 GHz的阻带内， 仿真和测试结果表明对谐波都有良好的抑制效果. 测试结果和仿真结果相比， 通带略微向低频段移动， 主要由于制作天线的介质材料与仿真天线的介电常数有偏差导致， 但最终的仿真结果和测量结果基本吻合.

(a) 1 GHz～12 GHz

图 13 给出了设计天线在中心频率2.45 GHz处仿真和测量的二维辐射方向图. 从图中可看出， 该宽谐波抑制的滤波天线还具有低交叉极化的特性，E面的交叉极化水平低于-36.85 dBi，H面的交叉极化水平低于-25.73 dBi. 仿真和测量的主极化和交叉极化结果几乎一致.

(a) E面方向图

本文设计了一种具有高选择性和谐波抑制的滤波天线. 利用缺地陷结构和短截线的共同作用， 实现了高达四倍频的谐波抑制， 增强了工作频带外抑制的效果. 采用在贴片上蚀刻缝隙和加入开口环缺地陷结构来产生2个辐射零点， 提高了选择性. 该滤波天线具有低剖面、 宽谐波抑制， 高选择性和低交叉极化的特性. 设计滤波天线可应用于无线通信中的WLAN网络频段.