一种低剖面宽带滤波全向天线设计

向 磊，黄 奕，杨 国，肖如奇，齐世山

(1. 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094；2. 陆军装备部驻南京地区第四军事代表室，江苏 南京 210007)

0 引言

滤波天线是一种集成了滤波功能的天线，同时具有辐射特性和滤波特性，具有减小系统体积，增强带外抑制，降低带外干扰的优点[1-2]。全向天线因其在某一平面360°方向上具有均匀的辐射特性，广泛应用于无线通信系统[3-5]。因此，将滤波功能集成到全向天线中，设计出滤波全向天线，引起了许多学者的兴趣[6-8]。

目前滤波天线的设计方法主要有2种。第1种方法是滤波器与天线直接级联，将天线辐射体视为滤波器电路的最后一级谐振器进行综合设计，但其会增大天线整体的尺寸，并引入额外的插入损耗[9-10]。第2种是在天线的馈电网络或辐射体引入寄生结构，产生带外辐射零点，以实现天线的滤波响应，这种方法避免了滤波电路的额外损耗，同时没有增大天线的体积[11-13]。

本文以偶极子贴片天线为原始天线，在其馈电网络中引入折叠槽线枝节，使得通带外产生了2个辐射零点，设计了一种低剖面宽带滤波偶极子天线，同时具有良好的宽带带通滤波响应和全向辐射特性，在无线通信系统中具有广泛的应用前景。

1 天线结构设计

1.1 原始天线

本文所提出的宽带滤波偶极子天线以图1所示的原始天线为原型[8]，在其上逐步做滤波设计。图1中，在介质基板的顶层，印刷有微带馈电线和微带线连接的矩形贴片偶极子；在介质基板的底层，印刷有矩形金属接地板，其中心处开有半波长的缝隙，可视为半波槽线。电磁波经微带馈电线耦合到半波槽线中，再经槽线-微带过渡结构激励矩形贴片偶极子。

图1 原始天线Fig.1 Original antenna

微带馈电线、介质基板底部的半波槽线、槽线-微带过渡结构组成的馈电网络不仅为贴片偶极子提供了180°的相位差，同时也起到阻抗匹配的作用[8,14]。

图2为原始天线仿真的S11参数及增益曲线图。由图2可知，天线在通带内存在2个谐振模式，贴片偶极子谐振模式和半波槽线谐振器模式，因此具有较宽的工作频段，其相对带宽为28.3% (3.31～4.40 GHz，S11<-10 dB)。通带内增益变化平坦，约为2.7 dBi，但是天线增益在带外下降缓慢，没有明显的滤波响应。

图2 原始天线的S11参数及增益曲线Fig.2 S11and gain of the original antenna

1.2 参考天线

为了使天线增益在上阻带出现滤波响应，在半波槽线的中部加载了一对L形槽线枝节，得到的参考天线如图3所示。图4比较了参考天线与原始天线的S11参数及增益曲线。由图4可知，与原始天线相比，L形槽线枝节不仅改善了通带上边缘的频率选择性，同时也在上阻带4.84 GHz处引入了一个辐射零点，明显增强了上阻带的带外抑制。

图3 参考天线Fig.3 Reference antenna

图4 参考天线与原始天线的S11参数及增益曲线Fig.4 S11 and gain of the reference antenna and original antenna

为了进一步研究L形槽线枝节的作用，改变L形槽线枝节的长度，扫描仿真，增益变化曲线如图5所示。可知辐射零点的位置可由L形槽线枝节独立控制，当槽线枝节长度增加时，辐射零点向低频移动。

图5 参考天线在L形槽线枝节不同长度下的增益曲线Fig.5 Gain of the reference antenna with different lengths of the L-shaped slot stubs

1.3 宽带滤波偶极子天线

图3所示的参考天线在下阻带的增益变化仍然缓慢，需要进一步优化设计。为了增强偶极子贴片天线在下阻带的滤波响应，在L形槽线枝节上再加载一个长度更长的槽线枝节，使其在下阻带产生一个新的辐射零点。为了减小槽线枝节所占据的空间，对其进行弯曲折叠，如图6所示。值得注意的是，多次折叠的槽线枝节仍需满足与贴片偶极子一致的对称性，这可减小槽线枝节对天线辐射性能的影响。

图6 宽带滤波偶极子天线Fig.6 Broadband ltering dipole antenna

同样，图7比较了宽带滤波偶极子天线与参考天线的S11参数及增益曲线。

图7 宽带滤波偶极子天线与参考天线的S11参数及增益曲线Fig.7 S11 and gain of the broadband filtering dipole antenna and reference antenna

由图7可知，折叠槽线枝节在通带内引入了2个新的谐振点，增加了偶极子贴片天线的工作带宽，提高了通带边缘的频率选择性；相比于L形槽线枝节，新的折叠槽线枝节保留了上阻带的辐射零点，同时在下阻带引入了一个新的辐射零点，增强了下阻带的带外抑制，这使得天线增益曲线表现出良好的带通滤波效果，且通带与阻带的过渡范围较窄。

对较长槽线枝节的长度LL进行参数扫描，结果如图8所示。随着长度LL的增加，下阻带辐射零点向低频移动，而上阻带辐射零点的位置并不改变，充分表明下阻带辐射零点是由较长的槽线枝节产生，且可由其独立控制，这有利于设计实际所需的工作带宽和工作频段。

图8 宽带滤波偶极子天线在折叠槽线枝节不同长度下的增益曲线Fig.8 Gain of the broadband filtering dipole antenna with different lengths of the fold slot stubs

2 天线尺寸参数

图9为本文提出的宽带滤波偶极子天线的详细结构图。

(a)俯视图

利用高频电磁仿真软件HFSS优化设计，最终得到的尺寸设计参数如表1所示，其中矩形金属地板上的所有槽线宽度均为0.2 mm。天线整体尺寸40 mm×32 mm，介质基板选用厚度0.635 mm的Rogers 6010，其介电常数为10.8。

表1 宽带滤波偶极子天线的尺寸参数

Tab.1 Structural parameters of the broadband ltering dipole antenna 单位：mm

表1 宽带滤波偶极子天线的尺寸参数

参数L1L2L3L4L5L6L7数值7.03.911.914.010.820.02.0参数W1W2W3W4DL1DL2SL1数值0.50.66.011.82.73.82.6参数SL2SL3SL4SL5SL6GLGW数值1.72.24.23.26.032.012.0

3 天线仿真结果

最终，经过优化后的宽带滤波偶极子天线，仿真的S11参数及增益特性如图10所示。其相对带宽为39.1% (3.10～4.61 GHz，S11<-10 dB)，通带内增益变化平坦，约为2.7 dBi；通带外2.86,4.84 GHz处存在2个辐射零点，带外抑制大于15 dB。由于辐射零点的位置十分靠近通带边缘，增益曲线通带与阻带之间的过渡带较窄，故滤波偶极子天线表现出良好的频率选择性及带通滤波响应。

图10 宽带滤波偶极子天线的S11参数及增益Fig.10 S11 and gain of the broadband filtering dipole antenna

图11为宽带滤波偶极子天线在4 GHz的辐射方向图，可知，引入的对称折叠槽线枝节对原始偶极子天线辐射性能影响较小，宽带滤波偶极子天线保持着均匀的全向辐射特性和低交叉极化特性。

图11 宽带滤波偶极子天线在4 GHz的方向图Fig.11 Radiation patterns of the broadband filtering dipole antenna at 4 GHz

4 结束语

从偶极子贴片天线出发，将一对对称的折叠槽线枝节加载到其馈电网络中，实现了宽带偶极子滤波天线的设计。折叠槽线枝节在带内引入了2个新的谐振点，展宽了天线的工作带宽；同时在带外产生了2个辐射零点，实现了天线的带通滤波响应。仿真结果表明，设计的宽带滤波偶极子天线，其相对带宽39.1%，带内增益变化平坦，约为2.7 dBi，在H面具有均匀的全向辐射特性，带外辐射抑制大于15 dB。该天线具有低剖面、高频率选择性、尺寸较小的特点。