張 璐,朱田偉

（南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，南京，211106）

具有輻射零點的高性能WiMAX頻段微帶濾波天線設(shè)計

張 璐,朱田偉

（南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，南京，211106）

本文基于濾波器綜合方法，設(shè)計了一款工作在WiMAX頻段的的高性能微帶濾波天線。通過在諧振器之間引入電磁混合耦合，使得濾波天線的增益曲線在高頻帶出現(xiàn)了輻射零點，從而使得濾波天線具有良好的帶外抑制特性。

電磁混合耦合；輻射零點；濾波天線

0 引言

近年來，利用濾波器綜合方法設(shè)計濾波天線的思想越來越受到人們的關(guān)注[1]-[10]。在設(shè)計過程中，天線等效成串聯(lián)或并聯(lián)的RLC電路，在起輻射作用的同時，也充當(dāng)濾波器最后一級諧振器和負(fù)載。這種天線和濾波器一體化設(shè)計方法可以減小系統(tǒng)的尺寸、重量和損耗，而且濾波天線的回波損耗、增益曲線分別與濾波器的回波損耗、插入損耗曲線類似。綜合設(shè)計的方法不僅提高了設(shè)計的成功率，還可以事先預(yù)定天線的帶外抑制能力，而且通帶內(nèi)增益曲線更加平坦。

文獻(xiàn)[1]和[2]分別用SIW設(shè)計了平面的三階和四階濾波天線，文獻(xiàn) [3-5]則用SIW實現(xiàn)了多層的濾波天線，文獻(xiàn)[6-9]利用微帶結(jié)構(gòu)設(shè)計了多種多樣的濾波天線，都得到了比較好的性能。但這些濾波天線中的拓?fù)渚捎弥本€拓?fù)?，并不能產(chǎn)生輻射零點，因而得到的濾波天線的增益曲線通帶邊緣不夠陡峭，選擇性能不夠理想。文獻(xiàn)[10]在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上對饋電方式做了改進(jìn)，使整個結(jié)構(gòu)完全對稱，導(dǎo)致在特定頻點上，輻射源相位相差180°，從而在通帶兩邊分別產(chǎn)生一個輻射零點。大大提高了濾波天線的選擇性。但文獻(xiàn)[10]的方法受結(jié)構(gòu)限制，方法不夠通用。

本文從濾波器的角度出發(fā)，同樣在直線拓?fù)涞那闆r下，通過在諧振器之間引入混合電磁耦合，使濾波天線在上通帶邊緣產(chǎn)生輻射零點，提高了濾波天線帶外抑制能力。

1 濾波器的綜合

先設(shè)計一個2階的帶通濾波器，中心頻率為3.6GHz，15dB帶寬為400MHz，回波損耗15dB，含有一個傳輸零點，為5080 MHz，所選用介質(zhì)板相對介電常數(shù)為2.56，厚度為0.775mm,損耗角正切為0.0009。

混合電磁耦合產(chǎn)生傳輸零點的機理可以用濾波器模型來解釋。信號從諧振器1的左邊出發(fā)經(jīng)歷了電和磁兩條耦合路徑后在諧振器2的右邊重新疊加，這兩條耦合路徑的相差使疊加后的信號在某些頻率為零，因此一對混合電磁耦合的諧振器對可以產(chǎn)生一個傳輸零點。

根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]中所述的方法，基于梯度優(yōu)化法得到了混合耦合濾波器的歸一化耦合矩陣。

其中ω為低通域的頻率變量，圖1給出了濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，這里使用Ansoft公司的HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終確定濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸為：W=24mm，L=20.9mm W0=2.12mm，W1=0.3mm，W2=0.6mm L0=10mm，L1=12.4mm，L2=9.9mm，L3=5.2mm，g1=0.2mm，g2=0.1mm。

圖 1濾波器的結(jié)構(gòu)圖

兩個諧振器的開口方向相同，使得諧振器之間的電耦合和磁耦合呈現(xiàn)減法效應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的窄帶濾波器的諧振器的間距可以很小。耦合長度L2小于四分之一波長，所以耦合以電耦合為主，傳輸零點出現(xiàn)在通帶上方，通過調(diào)節(jié)耦合長度L2即可調(diào)整傳輸零點的位置[12]。

圖2 濾波器的頻率響應(yīng)

圖2為濾波器的仿真結(jié)果，可以看出濾波器的仿真結(jié)果與理論結(jié)果基本吻合。

3 濾波天線的設(shè)計

針對濾波器的結(jié)構(gòu)，本文采用倒L天線，首先設(shè)計天線的尺寸，使其在3.6GHz頻率上諧振，并進(jìn)行微帶線的寬帶調(diào)節(jié)，使其滿足濾波器的外部Q值，然后將濾波器的端口2去掉，用天線取代第二個諧振器，并適當(dāng)優(yōu)化。

圖3 濾波天線的結(jié)構(gòu)圖

最后得到濾波天線的結(jié)構(gòu)尺寸為：W=24mm，L=20.9mm，W0=2.12mm，W1=0.3mm，W2=0.6mm，W3=1mm， L0=10mm，L1=13.3mm，L2=9.9mm，L3=5.2mm，L4=12.8mm， g1=0.25mm，g2=0.1mm。

圖 4濾波天線的回波損耗和天線增益與濾波器頻率響應(yīng)的對比

從圖4中可以看到，濾波天線的回波損耗曲線與濾波器的回波損耗曲線類似，天線的增益與濾波器的S21曲線類似，帶內(nèi)增益2dB，比較平坦，并且在4.5GHz附近產(chǎn)生了輻射零點，提高了濾波天線的選擇性，同時由于接地面被大面積破壞，使得電磁混合耦合中電耦合占優(yōu)的程度被削弱，使得濾波器的傳輸零點5.08GHz相比相左偏移了580MHz。

圖5給出了濾波天線的EH面非歸一化增益曲線。

4 結(jié)論

本文通過在諧振器之間引入混合電磁耦合的方法設(shè)計了一款兩階WiMAX頻段濾波天線，濾波天線的增益曲線在高頻帶出現(xiàn)了一個輻射零點，增強了天線的帶外抑制特性。

圖 5濾波天線的EH面天線增益

[1]Yazid Yusur.Integration of 3D high-Q filters with monopole antennas,Microwave and Optical Technology Letters,vol.56,no.4,April 2014.

[2]Yazid Yusur.Compact Low-Loss Integration of High-Q 3-D Filters With Highly Efficient Antennas,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.59,no.4,April 2011.

[3]Yazid Yusur.A Seamless Integration of 3-D Vertical Filters with Highly Efficient Slot Antennas,IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.59,no.11,November 2011.

[4]Yazid Yusur.Co-designed substrate-integrated waveguide filters with patch antennas,IET Mic rowaves,Antennas&Propagation,2013,vol.7,Iss.7, pp.493-501.

[5]Yazid Yusur.A Vertical Integration of High-Q Filters with Patch Antennas with Enhanced Bandwith and High Efficiency,Microwave Symposium Digest (MTT),2011 IEEE MTT-S International 2011,pp.1-4

[6]Chin-Kai Lin and Shyh-Jong Chung.A Compact Edge-Fed Filtering Microstrip Antennawith 0.2 dB Equal-Ripple Response，Proceedings of the 39th European Microwave Conference,2009,pp.378-380

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[9]Weijun Wu.Design of A Compact Filter-Antenna using DGSStructure for Modern Wireless Communication Systems,Microwave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications (MAPE), 2013 IEEE 5th International Symposium on 2013, pp.355-358.

[10]Chin-Kai Lin.A Compact Filtering Microstrip Antenna WithQuasi-Elliptic Broadside Antenna Gain Response,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.10,2011.

[11]Smain Amari.Synthesis of Cross-Coupled Resonator FiltersUsing an Analytical Gradient-BasedOptimization Technique,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.48,no.9,September 2000.

[12]王歡.可控混合電磁耦合濾波器理論與實現(xiàn).華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.

Design of High-performance Filtering Microstrip Antennawith Radiation Zero

Zhang Lu，Zhu Tianwei
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing,210016）

In this paper, filter synthesis approach is used to design a high-performance microstrip antenna working in WiMAX frequency. By introducing the mixed electrically and magnetically coupling between two resonators,a radiation zero is produced to improve thefrequency skirtselectivity of microstrip antenna.

Mixed coupledfilter;Radiation Zero;Filtering Antenna

TN822 文獻(xiàn)標(biāo)碼：A

張璐（1986-），女，江西吉安人，南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院教學(xué)秘書，研究實習(xí)員，研究方向為高等教育管理研究、微波電路與子系統(tǒng)；

本文獲得“中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金”資助，獲得“南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地（實驗室）開放基金”資助(基金號：kfjj20150408)

朱田偉（1989-），男，江蘇泰州市，南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院研究生在讀，研究方向為：微波電路與子系統(tǒng)。