張 誠，楊 兵，施 金，毛 臻

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035；2.南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇南通 226019）

一般而言，濾波器與天線是兩種獨(dú)立的器件，通過級聯(lián)的方式以同時(shí)實(shí)現(xiàn)輻射與濾波特性。濾波器與天線的協(xié)同設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化以及集成化的特點(diǎn)。然而，濾波器具有高品質(zhì)因數(shù)特性，而天線的品質(zhì)因數(shù)較低，因此濾波器與天線的協(xié)同設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨的設(shè)計(jì)任務(wù)。

針對濾波天線設(shè)計(jì)，國內(nèi)外報(bào)道了諸多設(shè)計(jì)技術(shù)。最為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是天線與濾波器共用阻抗變換器[1]。另一種方式是用天線來取代濾波器的最后一級諧振器[2-12]，這類天線具備較小的平面尺寸。施教授團(tuán)隊(duì)提出將濾波結(jié)構(gòu)嵌入天線中的設(shè)計(jì)技術(shù)[13]，濾波天線的尺寸可進(jìn)一步減小。對于上述3 類天線設(shè)計(jì)都含有不參與輻射的諧振器，因此天線的增益與效率都有所降低。為避免天線增益與效率的降低，科研工作者提出了天線所有結(jié)構(gòu)都參與輻射的濾波天線設(shè)計(jì)技術(shù)[14-17]。在文獻(xiàn)[14-15]中，通過使用疊層貼片，天線的增益與傳統(tǒng)貼片天線相比有所提高。這類設(shè)計(jì)方法也可用來實(shí)現(xiàn)差分濾波天線[16]、雙極化濾波天線[17]。

文中提出了一種基于三貼片實(shí)現(xiàn)的平面濾波天線。短路副貼片、接地孔以及矩形槽的使用拓展了天線的工作帶寬、提高了天線的帶外抑制特性。另外，天線的工作帶寬以及輻射零點(diǎn)也可通過改變相應(yīng)的物理尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。為明確天線的設(shè)計(jì)，文中詳細(xì)分析了天線的工作原理，相關(guān)參數(shù)對天線工作帶寬、輻射零點(diǎn)的影響，最終設(shè)計(jì)了一個工作在1.84 GHz 的天線案例，該案例驗(yàn)證了理論預(yù)期的可實(shí)現(xiàn)性。

1 天線設(shè)計(jì)

圖1 是所提平面濾波貼片天線的示意圖。從圖中可知，該天線是一種平面天線，主要由帶有3 個短路通孔的方形貼片、兩塊短路貼片以及同軸饋線構(gòu)成，其中方形貼片位于金屬大地的正中央，兩塊短路貼片位于方形貼片的兩邊。同軸饋線的內(nèi)、外導(dǎo)體分別與方形貼片和金屬大地相連。該天線采用的是羅杰斯RO4003C基板,其中介電常數(shù)εr為3.38，損耗角losstan 為0.002 7，基板厚度為1.524 mm。文中天線的全波仿真采用的是Ansoft 公司的HFSS（High Frequency Structure Simulation）軟件。

圖1 所提天線的結(jié)果

為詳細(xì)解釋所提出天線的工作原理，下文將詳細(xì)分析天線每部分結(jié)構(gòu)的功能。

1.1 寄生貼片

為了清楚地解釋寄生貼片的作用，引入了天線1與天線2。其中，天線1 是傳統(tǒng)的平面貼片天線，天線2 是在天線1 的基礎(chǔ)上在其貼片兩邊加載短路貼片的平面貼片天線，具體結(jié)構(gòu)分別如圖2（a）和（b）所示。為合理地進(jìn)行性能對比，這兩類天線的金屬大地尺寸與所提的天線相同。

圖2 天線1、2的具體結(jié)構(gòu)

圖3 給出了天線1 和天線2 的仿真|S11|和增益響應(yīng)曲線。從圖中可知，由于在方形貼片兩邊加載了兩塊短路貼片，天線2 的|S11|曲線上出現(xiàn)了兩個傳輸極點(diǎn)，并且在增益曲線上出現(xiàn)了一個頻率高端輻射零點(diǎn)，因此和天線1 相比，天線2 具有拓展工作帶寬，提高高端頻率選擇性的優(yōu)勢。

圖3 天線1和天線2的仿真|S11|和增益響應(yīng)曲線

天線2 性能的提高是由于在方形貼片兩邊加載了短路貼片，其能給天線帶來不同的模式。圖4 給出了天線2 位于1.8 GHz 處的電場分布，從圖中可知此時(shí)天線2 工作在反向TM20模。在該模式下，由于方形貼片與兩塊短路貼片之間產(chǎn)生了反向Ez分量，所以可獲得同向的Ex分量，它們的遠(yuǎn)場可以在天線最大輻射方向上相互疊加，從而確保天線在通帶內(nèi)的良好輻射。圖5 給出了天線在高端輻射零點(diǎn)頻點(diǎn)1.88 GHz 處的電場分布，從圖中可知此時(shí)天線工作在同向TM20模。在該模式下，原先位于方形貼片與兩塊短路貼片之間的反向Ez分量變?yōu)榱送?，從而產(chǎn)生了反向Ex分量，它們的遠(yuǎn)場在天線最大輻射方向上相互抵消，所以在增益曲線上出現(xiàn)了高端輻射零點(diǎn)。因此，和天線1 相比，天線2 具有良好的高端頻率選擇性。

圖4 天線2工作在1.8 GHz處的電場分布

圖5 天線2工作在1.88 GHz處的電場分布

圖6 給出了天線2 在不同g1下的仿真|S11|和增益響應(yīng)曲線。從圖中可知，耦合間距g1能夠改變通帶內(nèi)兩個傳輸極點(diǎn)之間的相對位置，并且隨著間距g1的增大，兩個傳輸極點(diǎn)的相對間距逐漸增大。從該圖中仍可發(fā)現(xiàn)，即使當(dāng)同向TM20和反向TM20這兩個模式離得很遠(yuǎn)時(shí)，天線的第二個傳輸極點(diǎn)始終緊靠著高端輻射零點(diǎn)。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于在高端輻射零點(diǎn)頻率附近，輸入阻抗發(fā)生了快速變化。圖7 給出了天線2 以及天線1 的仿真輸入阻抗曲線。從圖中可知，當(dāng)頻點(diǎn)從高端輻射零點(diǎn)變化到第二個傳輸極點(diǎn)時(shí)，天線的輸入阻抗從0 Ω快速變化到50 Ω。因此，天線2具有兩個傳輸極點(diǎn)。與天線1相比，天線2的工作帶寬得到了有效拓展，達(dá)到了52 MHz（1.8～1.852 GHz），即相對帶寬約為2.8%。

圖6 天線2在不同耦合間距g1下的仿真|S11|和增益曲線

圖7 天線2與天線1的仿真輸入阻抗曲線

1.2 接地孔

為進(jìn)一步提高天線的低端頻率選擇性，在天線2的基礎(chǔ)上，引入了方形貼片上加載3 個金屬通孔的天線3。圖8 給出了天線2 和天線3 位于低端輻射零點(diǎn)頻點(diǎn)處的電流分布。從圖中可知，加載的金屬通孔導(dǎo)致方形貼片上的電流由原先的同向分布變?yōu)榱朔聪蚍植?，從而電流相互抵消，因此產(chǎn)生了低端輻射零點(diǎn)，提高了天線的低端頻率選擇性。圖9 給出了天線2 和天線3 的輸入阻抗曲線。從圖中可知，該天線在通帶范圍內(nèi)的電抗和電阻更加接近于0 Ω和50 Ω。并且在通帶外，天線的輸入阻抗很小，這也促進(jìn)了低端輻射零點(diǎn)的產(chǎn)生。因此，和天線2 相比，天線3 具有良好的低端頻率選擇性能。

圖8 天線2與天線3在低端輻射零點(diǎn)頻點(diǎn)處的電流分布

圖9 天線2和天線3的仿真輸入阻抗

圖10 給出了在不同孔間距d2下的增益曲線。從圖中可知，在一定范圍內(nèi)，隨著d2的減小，低端輻射零點(diǎn)逐漸上移。然而，低端輻射零點(diǎn)頻點(diǎn)位置只能移至1.35 GHz。

圖10 不同d2下的增益曲線

1.3 矩形槽

為進(jìn)一步提高低端帶外抑制水平，在主貼片上加載了4 根矩形槽。從圖11 可知，矩形槽的引入使天線的低端輻射零點(diǎn)上移至1.5 GHz，提高了天線的帶外抑制水平。為保證天線的工作帶寬，低端輻射零點(diǎn)的調(diào)節(jié)需同時(shí)改變矩形槽的長度l1與通孔的位置d2。

圖11 在不同l1與d2下的增益曲線

對于天線的高端輻射零點(diǎn)，由于它始終緊靠著第二個傳輸極點(diǎn)，在保持天線的工作帶寬不變的情況下，高端輻射零點(diǎn)和第二個傳輸極點(diǎn)的相對位置保持不變。

1.4 帶寬調(diào)節(jié)

圖12 給出了天線在不同g1以及a2下的仿真|S11|曲線。從圖12（a）可知，g1主要影響天線的工作帶寬，且工作帶寬會隨著g1的增加而減小，這是由于方形貼片與短路貼片之間的耦合發(fā)生了變化，且該耦合會隨著g1的增大而減小。從圖12（b）可知，短路貼片的寬度a2同樣會影響天線的工作帶寬，且隨著a2的減小，天線的工作帶寬隨之增大，并且通帶上邊沿移動得比下邊沿快。

圖12 不同條件下的仿真|S11|曲線

2 設(shè)計(jì)流程

1）首先，確定方形貼片的初始尺寸（a1、d1、d2、d3、d4、l1、w2）。根據(jù)圖11 中總結(jié)的低端輻射零點(diǎn)隨d2、l1的變化規(guī)律以及對低端輻射零點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，從而可以確定d2與l1的初始值。w2、d1、d3和d4建議分別設(shè)定為0.027 λg、0.097 λg、0.097 λg和0.14 λg，其中λg是該天線在中心頻率f0處的介質(zhì)波長。為了確定方形貼片的長度a1，圖13 給出了在不同d2和l1下的貼片尺寸a1。根據(jù)a1隨d2和l1的變化規(guī)律，可以確定a1的初始值。

圖13 孔間距d2或者槽線長度l1改變時(shí)，在保證固定中心頻率f0下所需要的方形貼片尺寸a1

2）然后，確定短路貼片的初始尺寸（a2、w1）以及方形貼片與短路貼片間的耦合間距（g1）。w1建議設(shè)定為0.215 λg，大概為傳統(tǒng)貼片的一半。g1和a2可根據(jù)天線工作帶寬的設(shè)計(jì)要求以及從圖12（a）和12（b）中所得到的工作帶寬隨g1和a2的變化規(guī)律來確定。

3）最后，微調(diào)參數(shù)g1、w1、a1、l1和d2得到最優(yōu)的天線性能。

3 仿真與實(shí)測結(jié)果

為了驗(yàn)證天線理論預(yù)期的可實(shí)現(xiàn)性，該節(jié)設(shè)計(jì)并加工了一個工作在1.84 GHz 的天線案例。圖14是所提出天線的實(shí)物圖，具體的物理參數(shù)為a1=49.55 mm,d1=8 mm,d2=21.8 mm,d3=4.8 mm,g1=3 mm,l1=17 mm,w2=2.7 mm,w1=22 mm,a2=36.5 mm,l=140 mm，w=120 mm,d4=4.75 mm,r=0.5 mm,r1=0.5 mm。

圖14 所提出天線的仿真和測試響應(yīng)

圖14 給出了天線的仿真、測試|S11|和增益響應(yīng)曲線。從圖可知，該天線的中心頻率為1.84 GHz，匹配帶寬為52 MHz，即相對帶寬為2.8%，在中心頻率處的測試增益為6.65 dBi。高端和低端輻射零點(diǎn)分別出現(xiàn)在1.5 GH 和1.88 GHz。仿真與實(shí)測結(jié)果基本一致。

圖15 給出了天線位于中心頻點(diǎn)處的測試和仿真方向圖。從圖中可知，天線在通帶內(nèi)的輻射特性基本保持一樣。在中心頻率處，E 面和H 面的3 dB波束帶寬分別為70°和80°；E 面和H 面在3 dB 波束帶寬內(nèi)的交叉極化分別為-27 dB 和-18 dB，前后比為27.5 dB。

圖15 天線的測試和仿真分析圖

表1 列出了該設(shè)計(jì)與以往貼片天線設(shè)計(jì)的對比。從表中可知，該設(shè)計(jì)是一種基于平面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的濾波天線。與用天線取代濾波器最后一級諧振器的設(shè)計(jì)相比[17]，該設(shè)計(jì)能夠在未降低增益的條件下融合濾波與天線功能。與傳統(tǒng)的貼片天線相比，該設(shè)計(jì)具有拓展工作帶寬，提高帶外抑制水平的優(yōu)勢；與已報(bào)道的所有結(jié)構(gòu)都參與輻射的濾波天線設(shè)計(jì)技術(shù)相比，該技術(shù)具有剖面高度低的優(yōu)勢。

表1 該設(shè)計(jì)與以往設(shè)計(jì)的性能對比

4 結(jié)論

所提出的平面濾波天線和傳統(tǒng)的貼片天線相比具有拓展工作帶寬以及頻率選擇性的優(yōu)勢。文中闡述了天線的傳輸零點(diǎn)以及輻射零點(diǎn)的工作機(jī)理，也描述了天線的工作帶寬與輻射零點(diǎn)的調(diào)節(jié)規(guī)律。所提出的天線能夠減少微波系統(tǒng)中對濾波器的要求，低剖面特性使得天線能夠更好地滿足無線終端的要求。