耿彥峰， 趙 凱， 趙文彪， 陳新偉

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

差分雙頻濾波天線設(shè)計(jì)

耿彥峰， 趙 凱， 趙文彪， 陳新偉

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠工作在WLAN頻段的差分雙頻濾波天線， 該差分雙頻濾波天線由差分雙頻濾波器和差分雙頻天線構(gòu)成. 通過在天線的饋線上插入濾波器， 可以改善濾波天線阻抗帶寬； 通過在雙頻濾波器內(nèi)部引入交叉耦合和內(nèi)部反饋特性， 可以有效提高濾波天線的選擇性. 仿真結(jié)果表明： 該差分濾波天線可以工作在2.4 GHz和5.8 GHz頻率范圍內(nèi)， 兩個(gè)通帶的相對帶寬達(dá)到17%和20%， 并且在2.05 GHz, 4.75 GHz和6.95 GHz出現(xiàn)了3個(gè)輻射零點(diǎn)， 兩個(gè)通帶內(nèi)最大增益均達(dá)到了3.3 dBi.

濾波器； 雙頻濾波天線； 交叉耦合

隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展， 對現(xiàn)代微波和無線通信系統(tǒng)提出了更高的要求， 需要構(gòu)成系統(tǒng)的各部分尺寸小， 制作成本低， 功耗低； 而且更為重要的是能夠不受工作環(huán)境中電磁噪聲的影響. 單端的系統(tǒng)會受到周圍環(huán)境中噪聲和器件里面的電噪聲的影響， 導(dǎo)致系統(tǒng)的性能降低； 為了改善系統(tǒng)性能， 可以采用差分電路， 以獲得抑制共模信號的能力. 另外， 作為射頻前端關(guān)鍵器件的天線和濾波器， 需要其具有多頻帶工作、 高選擇性、 大增益和小尺寸等特點(diǎn)， 將濾波器和天線協(xié)同設(shè)計(jì)， 并且工作在無線局域網(wǎng)WLAN的2.4～2.483 5 GHz和5.25～5.85 GHz兩個(gè)工作頻段顯得尤為重要， 這樣可以減小系統(tǒng)體積、 提升系統(tǒng)性能， 如通帶增益， 帶外抑制特性等.

將濾波器和天線協(xié)同的設(shè)計(jì)， 已經(jīng)有很多的研究. 為了達(dá)到小型化， 文獻(xiàn)[1]在設(shè)計(jì)好的貼片天線饋線中插入了一個(gè)小型的帶通濾波器； 近年來， 還有很多學(xué)者將多階濾波器的最后一階和輸出端口擴(kuò)展成具有輻射特性的濾波天線， 使得該結(jié)構(gòu)同時(shí)具有濾波器和天線的雙重性能[2-5]. 不過， 該類型的濾波天線主要工作在單頻段. 為了使得天線具有差分結(jié)構(gòu)和濾波特性， Chung-Hwa Wu等將寬帶單端巴倫濾波器和八木天線相連接[6]； Jin Shi等人采用了差分雙邊平行帶線結(jié)構(gòu)DSPSL(Double-Sided Parallel-Strip Line)在準(zhǔn)八木天線的饋線上插入了一個(gè)雙邊平行帶線的耦合線諧振器[7]， 構(gòu)成了濾波天線， 其帶寬較窄， 帶外抑制不夠高.

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)差分雙頻濾波天線， 為了抑制環(huán)境噪聲， 采用DSPSL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)差分的雙頻濾波器和一個(gè)差分雙頻準(zhǔn)八木天線， 然后將差分的雙頻濾波器插入到差分八木天線的饋線上， 得到了同時(shí)具有濾波和輻射功能的差分雙頻濾波天線； 而且通過在雙頻濾波器內(nèi)部引入交叉耦合和內(nèi)部反饋特性， 有效提高了差分雙頻濾波天線的選擇性， 仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的差分雙頻濾波天線具有寬的帶寬、 高的選擇性和比較高的增益.

1 差分雙頻帶濾波器設(shè)計(jì)

1.1 濾波器結(jié)構(gòu)

圖 1(a) 給出了設(shè)計(jì)的差分雙頻濾波器的結(jié)構(gòu)圖. 濾波器結(jié)構(gòu)分為5層， 從上至下依次是頂層濾波器、 介質(zhì)層1、 中間接地板、 介質(zhì)層2和底層濾波器. 頂層和底層的濾波器分別由4個(gè)λ/4 SIR的諧振器組成； 中間的接地板是H型結(jié)構(gòu)， 頂層和底層的8個(gè)λ/4 SIR的諧振器經(jīng)過過孔連接到H型接地板上，H型接地板的兩邊分別作為濾波器饋線的接地板. 通過調(diào)整SIR的阻抗比和長度比， 可以使外側(cè)的兩個(gè)SIR諧振器的基本諧振頻率和第一雜散頻率調(diào)整在濾波器的第1和第2工作頻帶， 內(nèi)側(cè)的兩個(gè)SIR諧振器的基本諧振頻率在第2個(gè)工作頻帶.

圖 1 設(shè)計(jì)的差分雙頻濾波器Fig.1 The differential dual-frequency filter

在差模信號的激勵(lì)下， 頂層和底層具有相同的結(jié)構(gòu)， 所以在兩個(gè)介質(zhì)之間形成一個(gè)理想的電壁(虛地)， 插入的H型接地板與電壁重疊， 且對頂層和底層的電路沒有影響， 由于電壁的引入， 基于DSPSL結(jié)構(gòu)的差分濾波器可以看成兩個(gè)背對背的微帶濾波器.

在共模信號激勵(lì)下， 在兩個(gè)介質(zhì)中間形成了理想的磁壁(開路)， 理想磁壁不會影響H型接地板的效果， 其中H型接地板中間連接線的寬度將影響共模信號的傳輸， 隨著連接線的寬度的減小， 頂層(底層)和接地板之間的電場被削弱， 而且底層和頂層之間具有相同的電位， 沒有電場能夠形成， 所以共模信號得到了很好的抑制.

1.2 濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)SIR諧振器基本理論， 當(dāng)SIR結(jié)構(gòu)由θ1=θ2=θ0的兩組微帶線構(gòu)成， 高阻抗部分的特性阻抗為Z1， 低阻抗部分的特性阻抗為Z2， 阻抗比為Rz=Z2/Z1. 對于1/4波長的SIR， 第一諧振頻率和第二諧振頻率之間的關(guān)系[8]為

根據(jù)式(1)和式(2)， 調(diào)整SIR諧振器的阻抗比和長度比使得外部諧振器的基本諧振頻率和第一雜散諧振頻率諧振在2.4 GHz和5.8 GHz， 內(nèi)部諧振器基本諧振頻率諧振在5.8 GHz.

設(shè)計(jì)雙頻濾波器的兩個(gè)通帶分別具有2階Butterworth和4階CQ (Cascaded Quardruplet)的低通模型， 相對帶寬分別為25%和25%. 根據(jù)濾波器的基本理論[9]：

對于2階Butterworth型濾波器計(jì)算外部品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)的公式為

對于4階CQ型濾波器計(jì)算外部品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)的公式為

圖 2 濾波器的仿真結(jié)果Fig.2 The simulated results of filter

設(shè)計(jì)的濾波器采用εr= 4.4,h=0.8 mm, tanδ=0.02 的FR4介質(zhì)基板， 根據(jù)式(3)～式(10)， 確定各個(gè)諧振器之間的耦合距離和饋電位置.

利用HFSS優(yōu)化后的各部分參數(shù)如下：l11=7.8 mm,l12=3.5 mm,l13=4 mm,l14=1.8 mm,w11=0.6 mm,w12=0.3 mm,l2=5.25 mm,w2=1 mm,win=1.5 mm,g12=0.2 mm,s12=0.35 mm,g23=0.4 mm,g14=0.1 mm,t=4. 5 mm,via1=0.2mm,via2=0.2 mm,lg1=45 mm,wg1=2 mm,wg2=2.3 mm.

圖 2 給出了濾波器的仿真結(jié)果. 濾波器工作在2.35 GHz 和5.7Hz兩個(gè)頻段， 中心頻率處的插入損耗分別為0.85 dB和1.2dB， 3 dB的相對帶寬為26%(從2.05 GHz 到2.66 GHz)和22%(從5.08 GHz到6.36 GHz)， 由于外部諧振器折疊， 在諧振器內(nèi)部引入反饋， 使得在第一頻帶外產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)， 而且內(nèi)部和外部諧振器之間具有耦合特性， 所以在第二頻帶兩側(cè)形成了兩個(gè)傳輸零點(diǎn)， 提高了帶通濾波器的選擇性.

2 差分雙頻天線設(shè)計(jì)

2.1 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠工作在2.4 GHz和5.8 GHz的基于雙邊平行帶線結(jié)構(gòu)的差分雙頻天線， 如圖 3 所示. 采用雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)， 兩層介質(zhì)基板具有相同的特性， 介電常數(shù)為εr=4.4， 厚度為0.8 mm， 介質(zhì)損耗角為0.02. 雙偶極子分布在雙層介質(zhì)層的頂部和底部， 長偶極子長度諧振在2.4 GHz， 短偶極子諧振在5.8 GHz， 長偶極子經(jīng)過兩次彎折以減小天線尺寸； 引向器和反射器位于兩層介質(zhì)板之間， 引向器位于天線的輻射方向， 反射器位于天線的背向輻射方向； 雙偶極子由雙邊平行帶線的耦合線饋電.

圖 3 基于DSPSL的差分雙頻天線基本結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 The structure of differential dual-frequency antenna based on DSPSL

2.2 參數(shù)分析

通過對天線進(jìn)行敏感性分析， 發(fā)現(xiàn)長偶極子的彎折特性、 長短偶極子天線之間的間隔以及短偶極子和引向器之間的間隔對天線的阻抗特性和輻射特性有重要的影響. 為了便于結(jié)果的分析， 在考察每個(gè)參數(shù)對天線性能的影響時(shí)， 都保持天線的其他參數(shù)不變.

圖 4 列出了長偶極子天線彎折后長度L12對天線性能的影響， 隨著L12的增大， 天線第一頻帶的中心頻率右移， 而且阻抗帶寬變寬， 第二頻帶的帶寬基本不變； 圖 5 列出了長短偶極子之間距離Sab對天線性能的影響， 隨著Sab的變大， 第一頻帶的阻抗帶寬增寬， 但第二頻帶的匹配變差， 綜合考慮兩個(gè)頻帶的特性， 選取Sab為6 mm. 圖 6 列出了引向器與短偶極子的距離Sdir對天線性能的影響， 隨著Sab的減小， 第二頻帶的阻抗帶寬增寬， 第一頻帶的中心頻率和帶寬基本不變.

圖 4 L12對天線性能的影響Fig.4 The S11 for different L12

圖 5 Sab對天線性能的影響Fig.5 The S11 for different Sab

利用仿真軟件優(yōu)化后的天線參數(shù)為：Lfeed=21 mm，Wfeed=1.5 mm,L11=18.5 mm,L12=0.3 mm,L13=9.4 mm,L2=6.7 mm,W1=0.8 mm,W2=1.1 mm,Sab=6 mm,Ldir=10 mm，Wdir=1 mm，Sdir=2.5 mm. 仿真的S參數(shù)如圖 7 所示. 從圖 7 中可以看出兩個(gè)頻帶的中心頻率分別是2.35 GHz和5.7 GHz， 兩個(gè)通帶帶寬分別為180 MHz和1.84 GHz. 兩個(gè)頻帶內(nèi)的增益最大分別可以達(dá)到1.7 dBi和4 dBi.

圖 6 Sdir對天線性能的影響Fig.6 The S11 for different Sdir

圖 7 差分雙頻天線的S參數(shù)Fig.7 The S for the differential dual-frequency antenna

3 差分雙頻濾波天線設(shè)計(jì)

將設(shè)計(jì)的濾波器直接插入到雙頻天線的饋線上， 如圖 8 所示. 通過將濾波器插入到天線的饋線上， 可以把饋入天線之前的輸入信號經(jīng)過濾波器的濾波， 提高信號的選擇性， 而且濾波器的引入有利于改善天線的阻抗匹配特性. 另外， 插入濾波器后， 可以將濾波器中插入中間的H型接地板延長， 并作為準(zhǔn)八木天線的反射板.

圖 8 差分雙頻濾波天線Fig.8 The proposed differential dual-frequency filtering-antenna

圖 9 差分雙頻濾波天線的S參數(shù)Fig.9 The S for differential dual-frequency filtering-antenna

圖 10 通帶增益Fig.10 The gain of filtering-antenna

通過參數(shù)優(yōu)化得到設(shè)計(jì)的差分濾波天線的仿真結(jié)果如圖 9～圖 11 所示. 圖 9 給出了優(yōu)化后的差分濾波天線的S參數(shù)， 兩個(gè)通帶的中心頻率分別在2.4 GHz和5.8 GHz， 兩個(gè)通帶的相對帶寬達(dá)到17%和20%， 與圖 7 相比， 第一個(gè)通帶的帶寬變寬， 第二個(gè)通帶的帶寬有所減小， 說明在天線的饋線上插入濾波器改善了第一通帶的阻抗匹配. 圖 10 給出了濾波天線在兩個(gè)通帶的增益， 從圖 10 中可以看出， 兩個(gè)通帶內(nèi)的增益比較平坦， 最大增益達(dá)到3.3 dBi， 并且在2.05 GHz, 4.75 GHz和6.95 GHz出現(xiàn)了3個(gè)輻射零點(diǎn)， 極大地改善了通帶的選擇性. 圖 11 給出了2.45 GHz和5.5 GHz的輻射方向圖， 從圖 11 中可以看出， 天線輻射方向都是朝著引向器的方向.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠工作在WLAN頻段的差分雙頻天線， 通過將濾波器嵌入天線的饋線上， 改善了差分濾波天線的阻抗帶寬； 通過在雙頻濾波器內(nèi)部引入交叉耦合和內(nèi)部反饋特性， 有效提高了濾波天線的選擇性. 仿真結(jié)果表明： 該差分濾波天線可以工作在2.4 GHz和5.8 GHz頻率范圍內(nèi)， 兩個(gè)通帶的相對帶寬達(dá)到17%和20%， 并且在2.05 GHz， 4.75 GHz和6.95 GHz出現(xiàn)了3個(gè)輻射零點(diǎn)， 很好地提高了選擇性， 另外， 在兩個(gè)通帶內(nèi)最大增益均達(dá)到了3.3 dBi.

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Design of Diffirential Dual-Fequency Filting-Antenna

GENG Yanfeng, ZHAO Kai, ZHAO Wenbiao, CHEN Xinwei

(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

In this paper, a differential dual-frequency filtering-antenna is designed for WLAN band. The differential dual-frequency filtering-antenna is consist of a differential dual-frequency filter and a differential dual-frequency antenna. By embedding a filter inside feeding line of antenna, the impedance bandwidth can be improved for the differential dual-frequency filtering-antenna. And by adopting the cross coupled and self-feedback structure, the good selectivity at the pass band edge can be achieved. The simulation results show that the proposed differential dual-frequency filtering-antenna can work at center frequencies of 2.4 GHz and 5.8 GHz, with the fractional bandwidth band 17% and 20%, respectively. Three radiation zeros appear at 2.05 GHz, 4.75GHz and 6.95 GHz. Moreover, the 3.3 dBi peak gain can be obtained over two operating bands.

filter; dual-frequency filting antenna; cross coupling

2017-03-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271160)； 2016年度山西大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201610108032)

耿彥峰(1977-)， 博士生， 主要從事微波與射頻器件的研究.

陳新偉(1978-)， 副教授， 博士， 主要從事微波與射頻器件的研究.

1671-7449(2017)04-0318-06

TN828.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.007