基于三贴片的平面滤波贴片天线

张 诚，杨 兵，施 金，毛 臻

（1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035；2.南通大学电子信息学院，江苏南通 226019）

一般而言，滤波器与天线是两种独立的器件，通过级联的方式以同时实现辐射与滤波特性。滤波器与天线的协同设计可实现系统小型化以及集成化的特点。然而，滤波器具有高品质因数特性，而天线的品质因数较低，因此滤波器与天线的协同设计是一项艰巨的设计任务。

针对滤波天线设计，国内外报道了诸多设计技术。最为传统的设计方式是天线与滤波器共用阻抗变换器[1]。另一种方式是用天线来取代滤波器的最后一级谐振器[2-12]，这类天线具备较小的平面尺寸。施教授团队提出将滤波结构嵌入天线中的设计技术[13]，滤波天线的尺寸可进一步减小。对于上述3 类天线设计都含有不参与辐射的谐振器，因此天线的增益与效率都有所降低。为避免天线增益与效率的降低，科研工作者提出了天线所有结构都参与辐射的滤波天线设计技术[14-17]。在文献[14-15]中，通过使用叠层贴片，天线的增益与传统贴片天线相比有所提高。这类设计方法也可用来实现差分滤波天线[16]、双极化滤波天线[17]。

文中提出了一种基于三贴片实现的平面滤波天线。短路副贴片、接地孔以及矩形槽的使用拓展了天线的工作带宽、提高了天线的带外抑制特性。另外，天线的工作带宽以及辐射零点也可通过改变相应的物理尺寸进行调节。为明确天线的设计，文中详细分析了天线的工作原理，相关参数对天线工作带宽、辐射零点的影响，最终设计了一个工作在1.84 GHz 的天线案例，该案例验证了理论预期的可实现性。

1 天线设计

图1 是所提平面滤波贴片天线的示意图。从图中可知，该天线是一种平面天线，主要由带有3 个短路通孔的方形贴片、两块短路贴片以及同轴馈线构成，其中方形贴片位于金属大地的正中央，两块短路贴片位于方形贴片的两边。同轴馈线的内、外导体分别与方形贴片和金属大地相连。该天线采用的是罗杰斯RO4003C基板,其中介电常数εr为3.38，损耗角losstan 为0.002 7，基板厚度为1.524 mm。文中天线的全波仿真采用的是Ansoft 公司的HFSS（High Frequency Structure Simulation）软件。

图1 所提天线的结果

为详细解释所提出天线的工作原理，下文将详细分析天线每部分结构的功能。

1.1 寄生贴片

为了清楚地解释寄生贴片的作用，引入了天线1与天线2。其中，天线1 是传统的平面贴片天线，天线2 是在天线1 的基础上在其贴片两边加载短路贴片的平面贴片天线，具体结构分别如图2（a）和（b）所示。为合理地进行性能对比，这两类天线的金属大地尺寸与所提的天线相同。

图2 天线1、2的具体结构

图3 给出了天线1 和天线2 的仿真|S11|和增益响应曲线。从图中可知，由于在方形贴片两边加载了两块短路贴片，天线2 的|S11|曲线上出现了两个传输极点，并且在增益曲线上出现了一个频率高端辐射零点，因此和天线1 相比，天线2 具有拓展工作带宽，提高高端频率选择性的优势。

图3 天线1和天线2的仿真|S11|和增益响应曲线

天线2 性能的提高是由于在方形贴片两边加载了短路贴片，其能给天线带来不同的模式。图4 给出了天线2 位于1.8 GHz 处的电场分布，从图中可知此时天线2 工作在反向TM20模。在该模式下，由于方形贴片与两块短路贴片之间产生了反向Ez分量，所以可获得同向的Ex分量，它们的远场可以在天线最大辐射方向上相互叠加，从而确保天线在通带内的良好辐射。图5 给出了天线在高端辐射零点频点1.88 GHz 处的电场分布，从图中可知此时天线工作在同向TM20模。在该模式下，原先位于方形贴片与两块短路贴片之间的反向Ez分量变为了同向，从而产生了反向Ex分量，它们的远场在天线最大辐射方向上相互抵消，所以在增益曲线上出现了高端辐射零点。因此，和天线1 相比，天线2 具有良好的高端频率选择性。

图4 天线2工作在1.8 GHz处的电场分布

图5 天线2工作在1.88 GHz处的电场分布

图6 给出了天线2 在不同g1下的仿真|S11|和增益响应曲线。从图中可知，耦合间距g1能够改变通带内两个传输极点之间的相对位置，并且随着间距g1的增大，两个传输极点的相对间距逐渐增大。从该图中仍可发现，即使当同向TM20和反向TM20这两个模式离得很远时，天线的第二个传输极点始终紧靠着高端辐射零点。这种现象的产生是由于在高端辐射零点频率附近，输入阻抗发生了快速变化。图7 给出了天线2 以及天线1 的仿真输入阻抗曲线。从图中可知，当频点从高端辐射零点变化到第二个传输极点时，天线的输入阻抗从0 Ω快速变化到50 Ω。因此，天线2具有两个传输极点。与天线1相比，天线2的工作带宽得到了有效拓展，达到了52 MHz（1.8～1.852 GHz），即相对带宽约为2.8%。

图6 天线2在不同耦合间距g1下的仿真|S11|和增益曲线

图7 天线2与天线1的仿真输入阻抗曲线

1.2 接地孔

为进一步提高天线的低端频率选择性，在天线2的基础上，引入了方形贴片上加载3 个金属通孔的天线3。图8 给出了天线2 和天线3 位于低端辐射零点频点处的电流分布。从图中可知，加载的金属通孔导致方形贴片上的电流由原先的同向分布变为了反向分布，从而电流相互抵消，因此产生了低端辐射零点，提高了天线的低端频率选择性。图9 给出了天线2 和天线3 的输入阻抗曲线。从图中可知，该天线在通带范围内的电抗和电阻更加接近于0 Ω和50 Ω。并且在通带外，天线的输入阻抗很小，这也促进了低端辐射零点的产生。因此，和天线2 相比，天线3 具有良好的低端频率选择性能。

图8 天线2与天线3在低端辐射零点频点处的电流分布

图9 天线2和天线3的仿真输入阻抗

图10 给出了在不同孔间距d2下的增益曲线。从图中可知，在一定范围内，随着d2的减小，低端辐射零点逐渐上移。然而，低端辐射零点频点位置只能移至1.35 GHz。

图10 不同d2下的增益曲线

1.3 矩形槽

为进一步提高低端带外抑制水平，在主贴片上加载了4 根矩形槽。从图11 可知，矩形槽的引入使天线的低端辐射零点上移至1.5 GHz，提高了天线的带外抑制水平。为保证天线的工作带宽，低端辐射零点的调节需同时改变矩形槽的长度l1与通孔的位置d2。

图11 在不同l1与d2下的增益曲线

对于天线的高端辐射零点，由于它始终紧靠着第二个传输极点，在保持天线的工作带宽不变的情况下，高端辐射零点和第二个传输极点的相对位置保持不变。

1.4 带宽调节

图12 给出了天线在不同g1以及a2下的仿真|S11|曲线。从图12（a）可知，g1主要影响天线的工作带宽，且工作带宽会随着g1的增加而减小，这是由于方形贴片与短路贴片之间的耦合发生了变化，且该耦合会随着g1的增大而减小。从图12（b）可知，短路贴片的宽度a2同样会影响天线的工作带宽，且随着a2的减小，天线的工作带宽随之增大，并且通带上边沿移动得比下边沿快。

图12 不同条件下的仿真|S11|曲线

2 设计流程

1）首先，确定方形贴片的初始尺寸（a1、d1、d2、d3、d4、l1、w2）。根据图11 中总结的低端辐射零点随d2、l1的变化规律以及对低端辐射零点的设计要求，从而可以确定d2与l1的初始值。w2、d1、d3和d4建议分别设定为0.027 λg、0.097 λg、0.097 λg和0.14 λg，其中λg是该天线在中心频率f0处的介质波长。为了确定方形贴片的长度a1，图13 给出了在不同d2和l1下的贴片尺寸a1。根据a1随d2和l1的变化规律，可以确定a1的初始值。

图13 孔间距d2或者槽线长度l1改变时，在保证固定中心频率f0下所需要的方形贴片尺寸a1

2）然后，确定短路贴片的初始尺寸（a2、w1）以及方形贴片与短路贴片间的耦合间距（g1）。w1建议设定为0.215 λg，大概为传统贴片的一半。g1和a2可根据天线工作带宽的设计要求以及从图12（a）和12（b）中所得到的工作带宽随g1和a2的变化规律来确定。

3）最后，微调参数g1、w1、a1、l1和d2得到最优的天线性能。

3 仿真与实测结果

为了验证天线理论预期的可实现性，该节设计并加工了一个工作在1.84 GHz 的天线案例。图14是所提出天线的实物图，具体的物理参数为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。

图14 所提出天线的仿真和测试响应

图14 给出了天线的仿真、测试|S11|和增益响应曲线。从图可知，该天线的中心频率为1.84 GHz，匹配带宽为52 MHz，即相对带宽为2.8%，在中心频率处的测试增益为6.65 dBi。高端和低端辐射零点分别出现在1.5 GH 和1.88 GHz。仿真与实测结果基本一致。

图15 给出了天线位于中心频点处的测试和仿真方向图。从图中可知，天线在通带内的辐射特性基本保持一样。在中心频率处，E 面和H 面的3 dB波束带宽分别为70°和80°；E 面和H 面在3 dB 波束带宽内的交叉极化分别为-27 dB 和-18 dB，前后比为27.5 dB。

图15 天线的测试和仿真分析图

表1 列出了该设计与以往贴片天线设计的对比。从表中可知，该设计是一种基于平面结构实现的滤波天线。与用天线取代滤波器最后一级谐振器的设计相比[17]，该设计能够在未降低增益的条件下融合滤波与天线功能。与传统的贴片天线相比，该设计具有拓展工作带宽，提高带外抑制水平的优势；与已报道的所有结构都参与辐射的滤波天线设计技术相比，该技术具有剖面高度低的优势。

表1 该设计与以往设计的性能对比

4 结论

所提出的平面滤波天线和传统的贴片天线相比具有拓展工作带宽以及频率选择性的优势。文中阐述了天线的传输零点以及辐射零点的工作机理，也描述了天线的工作带宽与辐射零点的调节规律。所提出的天线能够减少微波系统中对滤波器的要求，低剖面特性使得天线能够更好地满足无线终端的要求。