一种频率选择性高零点可控的宽带滤波贴片天线

叶亮华，温俊翔，张经纶，刘权达，吴琦韵

（广东工业大学物理与光电工程学院，广东 广州 510006）

0 引 言

滤波器和天线都是无线通信系统中的关键组成部分。为了减小无线通信系统的占用空间，将滤波器与天线集成为滤波天线[1]的工作备受研究者的关注。同时，滤波天线还可以在多频阵列天线中有效地减少不同频段之间的耦合影响[2-3]。由此可见，设计一个性能优越的滤波天线是十分必要的。

目前，设计滤波天线的方法主要有三种：第一种方法是直接将滤波器与天线通过阻抗匹配网络相互级联[4-6]。然而这种方法不仅增加了天线的尺寸，还带来额外的损耗；第二种方法是设计天线的馈电结构，使其具有滤波功能。例如终端耦合微带线[7]、双探针馈电结构[8]、具有频率选择性的馈电线[9]，但是这种方法也会带来额外的损耗；第三种方法是直接赋予天线滤波的功能，这可以有效地减小系统的占用空间并消除额外损耗。各种谐振器在此方法的基础上用于产生零点，以达到滤波的效果，例如λ2 谐振槽[10-11]、堆叠贴片[12]、短路针[13]以及寄生环[14]。文献[15]提出了一种由环状馈电结构和4 个L 型辐射贴片组成的天线，该天线实现了良好的滤波特性，但却只有4.1%的带宽。为了拓宽带宽，文献[16]将直槽和U 型缝隙加载到天线上，在实现了滤波特性的同时，把带宽增加到11.8%。文献[17]将贴片堆叠在天线上方，实现了25%的宽带，但天线的剖面却大大增加。

本文提出了一种无需任何额外滤波电路的紧凑型宽带滤波贴片天线。TM10的谐振模式和高频辐射零点都是通过在贴片天线的地板嵌入U 型槽所产生的。为了引入额外的谐振模式以及低频的阻带辐射零点，一对直槽蚀刻在矩形贴片中。最后，将U 型微带线附加在天线上产生另一个额外的低频阻带辐射零点，以增强滤波效果。通过利用这些方法，一种增益稳定和频率选择性高的宽带滤波贴片天线就设计完成了。

1 宽带滤波贴片天线设计

1.1 天线结构

图1 给出了贴片天线的几何结构。

图1 天线的总体尺寸

贴片天线主要由两层介质板组成，如图1a）所示。上层由矩形贴片（见图1c））和U 型微带线（见图1d））组成，它们分别印刷在1.524 mm 厚的介质板（介质1）上表面和下表面，介质板的介电常数为3.55。一对矩形开口槽对称地蚀刻在辐射贴片的一个长边，用于在低频通带边缘产生辐射零点，而U 型微带线用于产生另一个低频段辐射零点。金属地板印刷在下层1.524 mm 厚的介质板（介质板2）底部，其介电常数为3.55。如图1e）所示，一个U 型槽嵌入到地板用于在高频通带附近引入辐射零点。一个50 Ω 的同轴电缆用来激励天线，其内导体与U 型微带线和贴片相连，外导体与地板相连。

通过使用上述结构，一种具有良好带内宽带性能和带外抑制性能的天线实现了。其参数如下：Gw=77.0，L1=67.0，W1=46.5，Lx=37.0，Ls=24.5，Ws1=1.5，d=15.7，Lu1=22.0，Lu2=7.0，Wu=1.5，h=3.0，Ls2=23.0，Ls3=10.0，Ws2=1.5，Ly=19.3，单位为mm。

1.2 设计步骤

本节将用天线的设计演变过程和相应的性能清楚地描述该滤波天线的设计思路。设计演变过程如图2所示，天线1 是由同轴电缆激励的矩形贴片天线，然后在天线1 的地板上蚀刻一个U 型槽后，形成了天线2，天线3 是通过在矩形贴片中引入一对直槽形成的，当将U 型微带线附加到天线3 时，天线4 最终完成设计。

图2 演化过程中的天线

不同天线的|S11|和增益在图3 和图4 中分别进行了比较。为便于分析，天线1、2、3 和4 中所有的参数都保持相同。从图3 可以看出：天线1 在2.1 GHz 的阻抗不匹配，无法有效辐射电磁波；对于天线2，通过在地板加载U 型槽，TM10模式成功地在2.13 GHz 产生，这改善了阻抗匹配并在高频通带边缘引入辐射零点fn1。接着，由于在天线3 的矩形贴片中蚀刻了一对矩型槽，TM10模式移动到fz1，并且额外的谐振模式在fz2处被激发。这两种谐振模式一起工作，形成1.95～2.25 GHz 的宽带。此外，辐射零点fn2还产生在低频通带边缘。最后，为了在低频产生额外的辐射零点fn3以增强带外抑制水平，U 型微带线加载到天线4 以实现最终设计。从仿真结果可以看出，该滤波天线具有1.96～2.26 GHz 的带宽以及较高的频率选择性。

图3 演化过程中不同天线的|S11|

图4 设计过程中不同天线的增益

1.3 工作原理

本节用贴片天线在谐振频率和辐射零点频率下的电流分布来阐述滤波天线的工作机理，如图5和图6所示。

图5 贴片在不同频率下的电流分布

在第一个谐振点fz1（见图5a）），电流主要集中在贴片的左右边缘，所有电流沿y轴流动，表明TM10模式在辐射贴片中被激发。在第二个谐振频率fz2（见图5b）），强电流分布在矩型槽周围以及贴片的左右边缘，两个矩型槽左右两侧的电流具有相等的幅度，但方向相反。因此，矩型槽周围的电流相互抵消，即贴片边缘的电流会产生一种类似于TM10的谐振模式。所以本文提出的滤波天线在宽频段内实现了稳定的辐射方向图和增益。

在辐射零点fn1处（见图6a）），强电流在地板的U 型槽周围流动，沿槽两边的电流大小相等方向相反，U 型槽周围的电流几乎全被抵消，从而产生辐射零点fn1；在辐射零点fn2处（见图6b）），大部分电流在两个矩型槽周围，因为矩型槽两侧的电流方向相反、强度相等，导致能量相互抵消，所以会产生辐射零点fn2；在辐射零点fn3（见图6c））处，能量主要集中在U 型微带线上，并且电能和磁能相互转换，很少能量辐射出去，这就导致产生新的低频辐射零点fn3。

1.4 辐射零点的可控性

通过调整U 型槽、矩型槽和U 型微带线的总长度可以灵活控制天线的辐射零点。为了清楚地展示控制辐射零点的方法，本节研究其不同参数下相应的增益变化，如图7 所示。

图7 不同参数对应的增益曲线

1）辐射零点fn1：U 型槽中，不同Ls2对增益的影响如图7a）所示。随着Ls2的减小，fn1的频率越来越高，而辐射零点fn2、fn3保持不变，体现了辐射零点fn1的可控性。

2）辐射零点fn2：矩型槽中，不同Ls1对增益的影响如图7b）所示。可以看出，随着Ls1从23.8 mm 增加到25.2 mm，fn2向低频移动，而其他辐射零fn1、fn3几乎保持不变。这验证了辐射零fn2的独立可控性。

3）辐射零点fn3：U 型微带线中，不同Lu1对增益的影响如图7c）所示。随着Lu1的增加，fn3向低频移动，Lu1的变化对辐射零点fn1、fn3没有影响。

2 加工与测试分析

设计的滤波天线经过制造和测试以进行验证。天线的原型和测试结果如图8a）和图8b）所示。本文的滤波天线具有18.5%（1.9～2.3 GHz）的带宽，所测得的带内增益稳定在（6.4±0.6）dBi 的范围内。同时，3 个辐射零点分别在1.72、1.84和2.47 GHz处实现，低频阻带的带外抑制水平为14.5 dB，高频阻带的带外抑制水平为17 dB，实现了良好的滤波特性。测量结果与仿真结果之间的轻微差异主要是由于制造和测量造成的误差。图9 显示了在2.0 GHz、2.1 GHz 和2.2 GHz 下的辐射方向图。可以看出，该滤波天线在工作带上具有稳定的宽边辐射性能，并且交叉极化比大于20 dB。

图8 天线的模型照片和测试结果

图9 不同频率下的仿真和测试方向图

表1 将本文提出的天线和其他文章提出的天线模型进行比较。与文献[10]所提出的滤波贴片天线相比，本文的天线在尺寸适中的情况下，具有更宽的带宽和更高的频率选择特性；与文献[16]提出的滤波天线相比，本文的天线具有更宽的带宽、更小的尺寸以及更好的频率选择性；与文献[17]提出的宽带滤波天线相比，本文提出的天线实现了更小的尺寸、更低的剖面以及更高的频率选择性。

表1 参考文献天线对比

3 结 论

本文提出了一种高宽带、频率选择性高、尺寸小的贴片滤波天线。通过加载U 型微带线、U 型槽和两个直槽，该滤波贴片天线在带内实现了双模式工作方式以达到拓宽宽带的目的，在带外引入了3 个辐射零点，实现了高频率选择性。本文提出的滤波天线具有18.5%的带宽，稳定的增益（6.4±0.6）dBi，低频带外抑制水平高于14.5 dB，高频带外抑制水平高于17 dB，并且具有0.54λ0×0.54λ0×0.04λ0的小尺寸。本文为滤波天线的设计提供了一种具有竞争力的解决方案。

注：本文通讯作者为刘权达。