0 引言

    隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展，如何將不同功能的器件進(jìn)行集成并改善其整體性能，已成為一個(gè)值得研究的方向。濾波天線一般由天線與濾波器集成而來，不僅有利于整體電路尺寸的減小，同時(shí)具有較好的輻射特性與濾波特性。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)濾波天線進(jìn)行了廣泛的研究，其中大多數(shù)濾波天線是以單極子/偶極子天線^[1-3]或者傳統(tǒng)貼片天線^[4-5]為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，同時(shí)也有少數(shù)濾波天線是以端射天線為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的^[6]。

    以單極子天線為基礎(chǔ)的全向?yàn)V波天線^[2-3]結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的頻率選擇性。但是由于全向輻射，這一類濾波天線的增益較低，且?guī)捯草^窄。為了提高增益，一些濾波天線以多層結(jié)構(gòu)的貼片天線為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)^[4-5]。盡管此類濾波天線可以實(shí)現(xiàn)高增益的輻射，但是其帶寬仍然較窄，只有約20%。此外，多層的結(jié)構(gòu)增加了天線的整體尺寸，也增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。最近，有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種由巴倫濾波器和微帶八木天線構(gòu)成的濾波天線^[6]，其在增益、頻率選擇性以及整體尺寸之間取得了一種良好的平衡，但是其諧波抑制較差。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的分析可知，如何實(shí)現(xiàn)具有良好濾波響應(yīng)的平面寬帶天線是亟需解決的問題。

    本文設(shè)計(jì)了一種基于平面八木天線的小型化寬帶濾波天線。首先，提出了一個(gè)采用新型饋電結(jié)構(gòu)的平面八木天線，其具有較寬的帶寬。為了引入濾波響應(yīng)，將一個(gè)多模諧振器嵌入平面八木天線的饋電微帶線中。多模諧振器包括兩個(gè)折疊的T型階梯阻抗諧振器（Stepped Impedance Resonator，SIR），可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳輸零點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的濾波天線具有更寬的帶寬與更高的邊沿選擇性，同時(shí)對(duì)高次諧波的抑制良好，可以廣泛地應(yīng)用于測(cè)向、遠(yuǎn)距離通信等場(chǎng)景。

1 濾波天線的設(shè)計(jì)

    本文提出的濾波天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，所使用的基板為ε_r=4.4、h=0.8的FR4板材。平面八木天線由兩個(gè)寄生的微帶線充當(dāng)引向器，一個(gè)偶極子充當(dāng)輻射器，而位于介質(zhì)基板底層的地板則充當(dāng)了反射器。同時(shí)，多模諧振器內(nèi)嵌在平面八木天線的饋電微帶線上。下面給出具體的設(shè)計(jì)過程。

1.1 平面八木天線的設(shè)計(jì)

    平面八木天線采用微帶天線的形式，這使其相對(duì)于傳統(tǒng)的八木天線而言，更易于同其他電路進(jìn)行集成。但是由于微帶具有輸入阻抗的諧振效應(yīng)，因此其阻抗帶寬比較窄。本文采用了一種新型饋電方式，無需額外的巴倫即可實(shí)現(xiàn)從微帶線到共面帶狀線的轉(zhuǎn)化，并且可以有效地展寬阻抗帶寬。如圖2(a)所示，偶極子的左臂直接與饋電微帶線相連，右臂則通過金屬化過孔由地板饋電。左右臂之間的相位差為180°，以實(shí)現(xiàn)差分饋電。由于固定的饋電微帶線無法在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的180°相位差，因此所設(shè)計(jì)的八木天線的帶寬會(huì)有所限制。此外，利用地板進(jìn)行饋電的方式減弱了地板作為反射器的作用，對(duì)天線的端射性能可能會(huì)有影響。為了實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，本文采用了包含四分之一波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器的階梯阻抗饋電微帶線。其中，第一階微帶線的寬度W₁為1.5 mm，以便在端口處獲得50 Ω的特性阻抗。在引向器和反射器的共同作用下，平面八木天線實(shí)現(xiàn)端射方向的輻射。八木天線的偶極子部分采用了折疊的偶極子，這有利于整體尺寸的減小。同時(shí)，偶極子部分采用了“領(lǐng)結(jié)”型漸變的結(jié)構(gòu)，這使得其阻抗變換趨于緩慢，從而有利于提高平面八木天線的阻抗帶寬^[7]。

    仿真所得的平面八木天線的反射系數(shù)與增益如圖2(b)所示。平面八木天線的阻抗帶寬為5.3~7.6 GHz，約36%；阻抗帶寬內(nèi)的最大增益為4.7 dBi。可以看出，得益于特殊的饋電結(jié)構(gòu)與“領(lǐng)結(jié)”型漸變的偶極子，平面八木天線的阻抗帶寬有了較大的提高。

    但是，該八木天線在頻率和增益上的選擇性較差，同時(shí)幾乎沒有對(duì)高次諧振的抑制作用。為了解決上述問題，需要引入濾波響應(yīng)。

1.2 濾波響應(yīng)的引入

    為了引入濾波響應(yīng)，本文采用了一個(gè)多模諧振器，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。該多模諧振器包含兩個(gè)折疊的T型SIR，并且T型SIR與輸入輸出微帶線之間形成平行耦合，從而使得信號(hào)得以傳輸。整個(gè)多模諧振器在其幾何中心處關(guān)于X軸與Y軸均呈對(duì)稱。與普通的SIR相比，折疊的T型SIR擁有相似的諧振特性以及更小的尺寸。多模諧振器的輸入輸出結(jié)構(gòu)采用平行耦合的方式，這使得交叉耦合比較強(qiáng)，從而在通帶內(nèi)可以有效減小傳輸損耗。這種饋電結(jié)構(gòu)可以在通帶的帶外產(chǎn)生多個(gè)傳輸零點(diǎn)，并且零點(diǎn)的位置可以調(diào)節(jié)。當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，增加耦合臂的長(zhǎng)度FL1，傳輸零點(diǎn)的位置會(huì)向低頻移動(dòng)。通過調(diào)整零點(diǎn)的位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的抑制以及提高通帶邊沿的選擇性。所采用的多模諧振器不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且輸入輸出端口的特性阻抗均為50 Ω。這些特性使得該多模諧振器易于同平面八木天線進(jìn)行結(jié)合。

    如圖3(b)所示，該多模諧振器在3.2 GHz、9.3 GHz、12.2 GHz處分別產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)。多模諧振器的通帶為5.3~7.0 GHz，且通帶內(nèi)的插入損耗較低，同時(shí)帶外抑制良好，高頻諧波抑制至16 GHz。此外，該多模諧振器的縱向長(zhǎng)度只有3.2 mm。

    將上述多模諧振器嵌入平面八木天線的饋電微帶線上，并不會(huì)增加原來天線的尺寸。同時(shí)，由于多模諧振器的輸入輸出端口的特性阻抗與平面八木天線饋電端口處的特性阻抗均為50 Ω，因此無需額外的阻抗匹配結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)集成。最終實(shí)現(xiàn)的濾波天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 仿真結(jié)果分析

    利用仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）對(duì)圖1所示的濾波天線進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖4所示。濾波天線的阻抗帶寬為5.4~7.0 GHz，約25.8%；3 dB增益帶寬為4.5~7.3 GHz，約47.5%。在濾波天線的阻抗帶寬內(nèi)，增益比較穩(wěn)定，每個(gè)頻點(diǎn)處的增益均大于3.0 dB，而帶內(nèi)平均增益為3.7 dB。與1.1節(jié)中的平面八木天線相比，雖然其阻抗帶寬有所減小，但是通帶邊沿的選擇性有了較大提高，并且對(duì)高次諧波的抑制良好，至16 GHz；同時(shí)，帶外增益的抑制水平良好，增益抑制度均超過14 dB。所設(shè)計(jì)的濾波天線的具體參數(shù)如表1所示。

    所設(shè)計(jì)的濾波天線在5.5 GHz、6.0 GHz、7.0 GHz處的輻射方向圖如圖5所示。由圖5可知，所設(shè)計(jì)的濾波天線在3個(gè)頻點(diǎn)處的輻射方向圖保持穩(wěn)定，并且同傳統(tǒng)八木天線的方向圖相似，能夠?qū)崿F(xiàn)端射方向的輻射，阻抗帶寬內(nèi)的前后比大于15 dB。同時(shí)，天線的交叉極化抑制良好，均在-18 dB以下。

    表2將本文所設(shè)計(jì)的濾波天線與已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。從表2中可以看出，本文所設(shè)計(jì)的濾波天線在展寬帶寬和諧波抑制兩方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且采用了平面結(jié)構(gòu)。除此以外，本文的濾波天線能夠在端射方向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定增益的輻射，這使得其在無線通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種基于平面八木天線的小型化寬帶濾波天線。這種天線不僅能實(shí)現(xiàn)較寬的阻抗帶寬和穩(wěn)定的端射方向輻射，而且通過引入多模諧振器，能得到良好的帶外抑制效果與較高的邊沿選擇性。仿真得到所設(shè)計(jì)的濾波天線的阻抗帶寬約為25.8%，3 dB增益帶寬約47.5%，阻抗帶寬內(nèi)的平均增益為3.7 dB；在阻抗帶寬內(nèi)，濾波天線的輻射方向圖穩(wěn)定，并且交叉極化均在-18 dB以下。同時(shí)，該濾波天線對(duì)于高次諧波的抑制可至16 GHz。綜上，本文設(shè)計(jì)的濾波天線結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的輻射性能與濾波效果，適合測(cè)向、遠(yuǎn)距離通信等多種無線通信系統(tǒng)的使用。

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