摘要：本文提出了一種基于超表面的寬帶濾波天線。通過分割3×3 的超表面，引入了新的諧振點，有效改善了阻抗匹配帶寬；另外，通過在饋線上加載階躍阻抗諧振器（SIR），在工作頻帶兩邊分別引入一個輻射零點，而且，在通帶內(nèi)高頻段引入了另一個諧振點，進一步展寬了帶寬；為了改善低頻段的選擇性，在地面上刻蝕四個中心對稱的U型缺地陷結(jié)構(gòu)（DGS），引入一個輻射零點。仿真表明，設(shè)計的濾波天線工作在4.93 GHz～ 6.88 GHz，-10 dB阻抗帶寬達到33.1%，在4.06 GHz、4.4 GHz、7.5 GHz、8.75 GHz產(chǎn)生四個輻射零點，提高了濾波天線的選擇性。

關(guān)鍵詞：超表面；缺地陷結(jié)構(gòu)；輻射零點；濾波天線

中圖分類號：TN822 文獻標志碼：A 文章編號：0253-2395（2024）05-1062-06

0 引言

隨著無線通信領(lǐng)域的發(fā)展，對射頻前端的通信設(shè)備功能的要求越來越多，對器件的體積要求越來越小，濾波器和天線作為射頻前端必備的兩部分，將它們集成在一個器件里，同時獲得濾波和輻射的功能，并且減少占用空間是十分必要的。

近些年，濾波天線得到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，各種結(jié)構(gòu)的濾波天線被設(shè)計［1］。Dh?waj、Lin 等［2-3］將天線作為濾波器的最后一級諧振器，構(gòu)成了濾波天線；Xiang 等［4］采用濾波器的綜合理論將濾波器和天線協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)了雙極化的偶極子濾波天線。Chen［5］通過在貼片上刻蝕兩對縫隙，在上下邊帶引入了可控的輻射零點，提高了天線的選擇性；Li 等［6］通過加載多個短路銷釘，在通帶附近引入三個可獨立控制的輻射零點，提高了天線的選擇性。Tian等［7-8］通過添加堆疊貼片和寄生貼片，在通帶上下引入了輻射零點，提高了天線的選擇性。Li等［9］通過在差分饋電的饋電網(wǎng)絡(luò)中引入階躍阻抗諧振器（SIR）來引入輻射零點。

研究發(fā)現(xiàn)，超材料應(yīng)用于微帶天線能夠有效改善天線的帶寬和提高天線增益［10-13］。Liu等［10］驗證了均勻分布的方形貼片具有超材料特性，將超材料貼片放置于輻射貼片上方可提高天線增益。Pan 等［12］采用非均勻金屬貼片作為上層超表面，在通帶內(nèi)引入新的諧振模式，最終帶寬達到了28.4%；Liu 等［13］通過結(jié)合超表面的三種模式和縫隙的模式，在多模共振下實現(xiàn)了寬帶寬。Ding 等［14］設(shè)計出特殊的超表面，在實現(xiàn)圓極化的同時引入新的諧振，展寬了帶寬。Yousfi 等［15］借助特征模分析，選擇超表面具有正交電流的兩種模式實現(xiàn)了寬帶圓極化天線，相對帶寬達到25%。Yang 等［16］通過在單元超表面上刻蝕“U”形縫隙以及加載缺地陷結(jié)構(gòu)（DGS）用來產(chǎn)生低頻帶的輻射零點，隨后將共面寄生貼片加載在超表面單元周圍，用來產(chǎn)生上邊緣輻射零點，同時引入新的諧振，從而實現(xiàn)寬頻帶、高增益的濾波天線，相對帶寬達到17.8%。綜上所述，利用超表面引入新的諧振可以有效展寬帶寬；在天線上蝕刻U 型槽、加載DGS 結(jié)構(gòu)、饋線上加載SIR 諧振器等可以引入輻射零點，提高濾波天線的選擇性。為了滿足日益完善的通信系統(tǒng)的要求，進一步提高濾波天線的帶寬和選擇性，可以改進超材料的結(jié)構(gòu)，進一步展寬天線帶寬，結(jié)合提高選擇性的方法，設(shè)計出帶寬更寬，選擇性更佳的濾波天線。

本文設(shè)計了一種基于超表面的寬帶濾波天線，通過切割均勻超表面，在通帶內(nèi)引入新的諧振；在饋線上加載SIR 結(jié)構(gòu)，引入輻射零點的同時在通帶內(nèi)引入新的諧振點；在地面上刻蝕四個中心對稱的U 型DGS，引入另一個輻射零點。實現(xiàn)了33.1% 阻抗帶寬和雙輻射零點的濾波天線。

1 天線設(shè)計

1.1 天線結(jié)構(gòu)

設(shè)計的濾波天線如圖1 所示，濾波天線分為兩層，頂層是蝕刻在介質(zhì)基板1 上的超表面，底層是蝕刻在介質(zhì)基板2 上的微帶縫隙耦合饋電電路。頂層的超表面是將方形貼片均勻地分割成3×3 的陣列，再將外側(cè)的3 塊超表面單元分別均勻切割成3 塊，每塊的大小為L2×W2，內(nèi)側(cè)的3 塊超表面單元按1∶2 分別切割成兩塊，兩塊大小分別為L2×W2 和（2L2+WS2）×W2。底層的上表面是蝕刻有為頂層超表面饋電的縫隙和四個中心對稱的U 型缺陷地結(jié)構(gòu)，底層的下表面是微帶饋線，饋線兩側(cè)加載一對階躍阻抗枝節(jié)。頂層和底層的介質(zhì)基板采用相對介電常數(shù)為4.4 的FR4 材料，厚度分別為2 mm 和0.8 mm，天線各部分的尺寸參數(shù)如表1 所示。

1.2 寬帶濾波天線設(shè)計

為了解釋設(shè)計濾波天線的工作原理，用四個參考天線作為參考，如圖2 所示，分別是天線Ⅰ ：微帶線耦合饋電的3×3 超表面天線；天線Ⅱ：在天線Ⅰ的基礎(chǔ)上對超表面單元再次切割；天線Ⅲ ：在天線Ⅱ 的基礎(chǔ)上，饋線上加載一對SIR；天線Ⅳ：在地面上刻蝕U 型DGS，得到最終設(shè)計的天線。

圖3 和圖4 給出了設(shè)計天線和參考天線的反射系數(shù)和輻射增益。如圖3（a）所示，天線Ⅰ在4.56 GHz、5.50 GHz、5.97 GHz、6.10 GHz和7.00 GHz有5 個諧振點，但5.50 GHz、5.97 GHz、6.10 GHz三個頻率匹配較差。為了改善天線的匹配，將3×3 超表面繼續(xù)切割成更小的單元，由于各貼片單元之間的電容耦合，使得天線的阻抗匹配得到很好地改善，如圖3（a）所示，天線工作在5.22 GHz～6.4 GHz，相對帶寬達到20.3%，天線的阻抗帶寬得以展寬。

為了提高天線選擇性，在天線饋線上加載了一對SIR，通過調(diào)節(jié)諧振器的阻抗比和長度比，使其在諧振在4.2 GHz 和7.2 GHz 附近，從而在天線通帶的兩側(cè)分別產(chǎn)生一個輻射零點，如圖4 所示。而且SIR 結(jié)構(gòu)的引入，在6.8 GHz附近激勵起新的諧振［17］，展寬了天線的帶寬，使得天線工作在4.97 GHz～6.91 GHz，相對帶寬達到了32.5%。

如圖4 所示，天線的下邊帶的帶外抑制效果不是很好，僅為7 dB，為了進一步改善下邊帶的帶外抑制，在接地面上刻蝕了四個中心對稱的U 型缺地陷結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)缺地陷結(jié)構(gòu)尺寸，在天線的下邊帶引入一個新的輻射零點，使得下邊帶附近產(chǎn)生兩個輻射零點，有效地改善了下邊帶的選擇性，帶外抑制達到14 dB。而且缺地陷結(jié)構(gòu)的引入還能對天線起到阻抗改善的作用，使得天線能夠工作在4.93 GHz～6.88 GHz，帶寬達到33.1%。

2 參數(shù)分析

通過分析天線各參數(shù)對反射系數(shù)和天線增益的影響，發(fā)現(xiàn)頂層超表面貼片之間的縫隙WS1、內(nèi)側(cè)貼片切割的方式是影響天線阻抗匹配的主要因素。階躍阻抗諧振器的長度和U 型DGS 缺陷地的長度是影響天線輻射零點的主要因素。分析某個參數(shù)的影響時，其他參數(shù)保持不變。

圖5 給出了超表面貼片之間的間隔WS1 對天線的影響。從圖中可以看出，隨著WS1 的增大，通帶高頻段的匹配較好，隨著WS1 的減小，通帶低頻段的匹配較好，只有WS1=0.7 mm 時，整個通帶內(nèi)的匹配都比較好。而且WS1 的改變主要影響第二個諧振點的頻率，隨著WS1 的增大，第二諧振點向高頻移動。

圖6 給出了內(nèi)側(cè)貼片切割方式改變對天線性能的影響。n=0 表示內(nèi)側(cè)貼片未進行切割，n=1 表示按照1∶2 的比例切割、n=2 表示按照1∶1∶1 三等分切割。從圖中可以看出，只有n=1 時，能夠改善低頻段的匹配，同時通帶內(nèi)的第4 個諧振點匹配最佳。

圖7 給出了U 型缺地陷結(jié)構(gòu)中長度La3 對輻射零點的影響。從圖中可以看出，通過La3 長度的增加，輻射零點逐漸向低頻移動，而由SIR 階躍諧振器產(chǎn)生的4.06 GHz 和7.5 GHz 處輻射點基本不變。

圖8 給出了SIR 結(jié)構(gòu)中長度L4 變化對輻射零點的影響。隨著L4 增加，上下邊帶外的輻射零點都向低頻移動，而由DGS 產(chǎn)生的4.4 GHz處輻射零點基本保持不變。所以兩個結(jié)構(gòu)可以獨立調(diào)節(jié)輻射零點的位置。

3 仿真結(jié)果

圖9 給出了天線仿真的反射系數(shù)與增益。從圖中可以看出，天線工作在4.93 GHz～6.88 GHz，相對帶寬達到33.1%；天線的最大增益達到了6.94 dBi，在4.06 GHz、4.4 GHz、7.5 GHz、8.75 GHz處產(chǎn)生了輻射零點，8.75 GHz 處的輻射零點由饋線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生［18］，下邊帶帶外抑制達到14 dB，上邊帶帶外抑制達到27 dB。

圖10 給出了天線通帶內(nèi)四個諧振點的歸一化輻射方向圖。從圖中可以看出每個諧振點E面和H 面在最大輻射方向上主極化與交叉極化相差30 dB 以上；在6.28 GHz 和6.82 GHz，出現(xiàn)了E 面偏轉(zhuǎn)和背向輻射增大，出現(xiàn)這種情況是由于超表面上電流主要集中在貼片的外側(cè)而不是輻射貼片的正中心，使得E 面方向圖發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。而且由于在饋線上加載了SIR 結(jié)構(gòu)后引入了高頻處的諧振點展寬了頻帶，所以有部分能量集中在饋線上，導致了6.82 GHz 的輻射方向圖后瓣增大，而主輻射方向上的增益有所減小。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于超表面的寬帶濾波天線。通過對頂層的超表面結(jié)構(gòu)進行切割和饋線上加載SIR 結(jié)構(gòu)，在通帶內(nèi)引入了新的諧振點，改善了阻抗帶寬，使得天線帶寬達到了33. 1%。仿真結(jié)論表明：設(shè)計的濾波天線工作在4. 93GHz～6. 88 GHz；天線的最大增益達到了6. 94dBi，在上下邊帶各引入了一個輻射零點，提高了選擇性。

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基金項目：國家自然科學基金（62071282）；山西省自然科學基金（202203021211295）；山西省留學基金（2021-006）