LI Fangjian

(Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China)

Suppression of Spurious Radiation of Patch Antenna Based on Microstrip Spiral-Defected Resonant Cells*

LI Fangjian*

(Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China)

A compact microstrip spiral-defected resonant cell with good rejection characteristic was proposed，and its electromagnetic characterizations were investigated by using HFSS．Replaced the 50 Ω feed line with a five serieswound cell transmission line，an antenna with good capability of suppression harmonic was designed．Simulation and measurement results indicate that the proposed antenna can suppress four harmonics at upper bands as the effective size，basic mode and radiation pattern keeping．The designed antenna characters with uniplanar，simple fabrication and practical using．

microstrip spiral-defected resonant cells;bandstop characteristic，harmonic suppression;antenna

由于具有低剖面、低成本、易共形、易加工等優(yōu)點(diǎn)，微帶貼片天線在微波工程中得到了廣泛的應(yīng)用［1－5］。但是，傳統(tǒng)的天線不可避免的帶有高次諧波，這嚴(yán)重影響了微帶天線的性能以及與其他器件集成的電磁兼容。為了解決這一問(wèn)題，一系列的諧波抑制方法應(yīng)運(yùn)而生:文獻(xiàn)［6］采用缺陷地面結(jié)構(gòu)(DGS)所設(shè)計(jì)的低通濾波器到達(dá)了抑制天線諧波的目的。Sung Y J采用小型微帶諧振器實(shí)現(xiàn)了天線的二次諧波抑制，這種方法能夠有效克服DGS帶來(lái)的后向輻射問(wèn)題，但是增加了天線尺寸［7］。

由于微帶缺陷結(jié)構(gòu)(DMS)也具有帶阻效應(yīng)［8］，因此，可以將其利用于天線諧波抑制;而且，DMS是通過(guò)在微帶線上刻蝕缺陷結(jié)構(gòu)，也不會(huì)增大尺寸。本文提出了一種新型的微帶螺旋缺陷諧振單元，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)獲得不同的傳輸零點(diǎn)，然后將5個(gè)具有不同傳輸零點(diǎn)的單元級(jí)聯(lián)起來(lái)設(shè)計(jì)了具有4次諧波抑制功能的微帶天線。該方法充分利用的微帶天線的饋線，結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)單易行。

1　傳統(tǒng)微帶天線設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)傳統(tǒng)的微帶貼片天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中微帶貼片的長(zhǎng)度和寬度分別47．5 mm和45．4 mm，50 Ω微帶線的長(zhǎng)度為30 mm，寬度為2．8 mm。為了獲得良好的阻抗匹配，在天線中加載一對(duì)長(zhǎng)度為13．8 mm，寬度為1 mm的縫隙。圖2給出了該天線的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，該天線的工作頻率除了2 GHz外，在3．81 GHz處出現(xiàn)了諧波1，在4．45 GHz處出現(xiàn)了諧波2，而諧波3和諧波4則分別出現(xiàn)在5.58 GHz和5．84 GHz處。這4個(gè)諧波對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)處的回波損耗分別為－19．3 dB、－11．9 dB、－13．4 dB和－11．4 dB?？梢?jiàn)，這些諧波將會(huì)嚴(yán)重影響天線的工作性能。

圖1　傳統(tǒng)微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　傳統(tǒng)微帶天線回波損耗

2　螺旋缺陷諧振單元特性分析

如圖3所示，將螺旋結(jié)構(gòu)刻蝕在50 Ω微帶線上。介質(zhì)板采用相對(duì)介電常數(shù)為2．65，厚度為1 mm的聚四氟乙烯玻璃布板(F4b-2)。相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖中所示。圖4給出了單個(gè)結(jié)構(gòu)在軟件中的S參數(shù)仿真結(jié)果，由圖可知，該結(jié)構(gòu)在頻率處形成一個(gè)阻帶。調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到不同的阻帶。

圖3　DMRC單元結(jié)構(gòu)圖

圖4　DMRC單元結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真結(jié)果

3　結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

為了對(duì)DMRC結(jié)構(gòu)有一個(gè)更加直觀的認(rèn)識(shí)，并為后續(xù)的研究設(shè)計(jì)提高效率，需要對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)特性進(jìn)行詳細(xì)分析。在對(duì)其中一個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，其他參數(shù)均保持不變。

首先對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)W1進(jìn)行掃描分析。W1是螺旋單元縱向的尺寸，取不同的W1(W1=2．3 mm，2．9 mm，3．5 mm)，得到如圖5所示的S參數(shù)的幅度特性隨W1變化的曲線。從圖中可以看出，隨著W1的增大，傳輸線的阻帶向低頻段移動(dòng)，阻帶寬度逐漸增加。

圖5　W1對(duì)幅度特性的影響

接下來(lái)對(duì)微帶缺陷螺旋單元的線寬W2進(jìn)行分析，取不同的W2(W2=0．1 mm，0．2 mm，0．3 mm)，得到如圖6所示的S參數(shù)的幅度特性隨W2變化的曲線。從圖中可以看出，隨著W2的增加，在阻帶頻率升高的同時(shí)帶寬逐漸減小。

圖6　W2對(duì)幅度特性的影響

雙螺旋單元之間的間距g1對(duì)結(jié)構(gòu)幅度特性和相位特性的影響如圖7所示，取不同的g1(g1=0．3 mm，0．5 mm，0．7 mm)。從圖中可以看出，隨著g1的增大阻帶對(duì)應(yīng)的中心頻點(diǎn)升高，而帶寬變化不大。

圖7　g1對(duì)幅度特性的影響

g2對(duì)結(jié)構(gòu)幅度特性和相位特性的影響如圖8所示，取不同的g2(g2=0．3 mm，0．5 mm，0．7 mm)。當(dāng)g2=0．1 mm時(shí)，該結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的阻帶比g2=0．2 mm和g2=0．3 mm時(shí)的阻帶頻率要低，而g2=0．2 mm與g2=0．3 mm時(shí)，兩者的特性曲線基本上是一致的。

圖8　g2對(duì)幅度特性的影響

最后討論l1的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的幅度和相位特性產(chǎn)生的影響，取不同的l1(l1=0．5 mm，1．0 mm，1．5 mm)，圖9給出了特性曲線的仿真。從圖中可以看出，隨著l1的增加，阻帶對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)會(huì)降低，且阻帶寬度會(huì)逐漸增加。

圖9　l1對(duì)幅度特性的影響

4　天線的諧波抑制

為了有效抑制天線諧波，根據(jù)上節(jié)所提出的傳統(tǒng)天線的諧波分布，將5個(gè)不同傳輸零點(diǎn)的諧振單元級(jí)聯(lián)得到如圖10所示的結(jié)構(gòu)。

圖10　5個(gè)DMRC的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

為了便于說(shuō)明，從左至右的單元依次編號(hào)為1～5。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1　各單元參數(shù)值單位:mm

表1中各單元之間的間隙均為0．4 mm;在HFSS中建立模型并仿真，得到如圖11所示頻率響應(yīng)曲線。從圖11可以看出，通過(guò)單元級(jí)聯(lián)后，實(shí)現(xiàn)了包括4個(gè)諧波對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)在內(nèi)的阻帶。

圖11　五單元級(jí)聯(lián)的S參數(shù)仿真結(jié)果

將所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到傳統(tǒng)的微帶天線中。實(shí)物如圖12所示，回波損耗的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果如圖13所示。由圖可以看出，天線的工作頻率的測(cè)試結(jié)果與所設(shè)計(jì)的2 GHz略有偏差。但是－10 dB帶寬變化不大。與圖2進(jìn)行對(duì)比可知，加載5個(gè)級(jí)聯(lián)單元的微帶天線可以將傳統(tǒng)貼片天線在3．81 GHz、4．45 GHz和5．58 GHz和5．84 GHz出現(xiàn)的諧波很好的抑制掉。所設(shè)計(jì)的具有帶阻特性的傳輸線可以嵌入到傳統(tǒng)天線的因加載縫隙而出現(xiàn)的一段50 Ω微帶線上而不影響其特性，這樣可以再不延長(zhǎng)傳統(tǒng)微帶貼片天線饋線的總長(zhǎng)度。

圖12　諧波抑制天線實(shí)物圖

圖13　諧波抑制天線仿真與測(cè)試結(jié)果

圖14給出了諧波抑制前后的天線E面輻射方向圖。從圖中可以看出，在天線諧波抑制前后，E面輻射方向圖基本不變。由于加工誤差的存在，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果之間存在一定的差異，但是兩者基本吻合，這也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。也說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的諧波抑制天線不僅克服了DGS引入帶來(lái)的后向輻射問(wèn)題，而且沒(méi)有額外增加器件的尺寸。綜上所述，基于微帶螺旋缺陷諧振單元的諧波抑制技術(shù)具有設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)、尺寸緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是較好的微帶天線諧波抑制方法。

圖14　天線在2 GHz處E面方向圖

5　結(jié)束語(yǔ)

本文首先提出了微帶螺旋缺陷結(jié)構(gòu)，并分析了其結(jié)構(gòu)的幅度特性。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)傳統(tǒng)微帶天線諧波分布情況，應(yīng)用所提出結(jié)構(gòu)的帶阻特性設(shè)計(jì)了一個(gè)諧波抑制良好的微帶貼片天線。該方法具有設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)、尺寸緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

［1］Lee J G，Lee J H．Suppression of Spurious Radiations of Patch Antennas Using Split-Ring Resonators(SRRs)［J］．Microwave and Optical Technology Letters，2006，48(2):284－287．

［2］Goussetis G，F(xiàn)eresidis A P，Wang S H，et al．Uniplanar Left-Handed Artificial Metamaterials［J］．Journal of Optics A:Pure and Applied Optics，2005，7:44－50．

［3］Jokanovic＇B S，Crnojevic＇-Bengin V．Miniaturization of Left-Handed Resonators Based on Grounded Spirals［J］．Telsiks，Serbia，Ni，September，2007，26－28:293－296．

［4］Karthikeyan S S，Kshetrimayum R S．Harmonic Suppression of Parallel Coupled Microstrip Line Bandpass Filter Using CSRR［J］．Progress In Electromagnetics Research Letters，2009(7):193－201．

［5］譚立容，倪瑛，張照鋒，等．基于半模基片繼承波導(dǎo)的雙頻段縫隙天線［J］．電子器件，2014，37(2):5－8．

［6］Ahn D，Park J S，Kim C S，et al．A Design of the Low-Pass Filter Using the Novel Microstrip Defected Ground Structure［J］．IEEE Trans Microwave Theory Tech．，2001，49(1):86－93．

［7］Sung Y J，Kim Y S．An Improved Design of Microstrip Patch Antennas Using Photonic Bandgap Structure［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53(5):1799－1804．

［8］Zhang Sheng．Study on Structure and Performance of Miniature Planar Microwave Filters［D］．A Dissertation Submitted to Shanghai University in Candidacy for Degree of Doctor of Science，Shanghai，Dec，2006．

李方健(1973－)，男，四川廣安人，副教授，主要從事通信技術(shù)方面的教學(xué)工作，lifangjian1973@163．com。

EEACC:135010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．016

基于微帶螺旋缺陷諧振單元的諧波抑制天線*

李方健*
(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331)

提出了具有良好帶阻特性的小型微帶螺旋缺陷諧振單元，通過(guò)軟件仿真分析說(shuō)明了參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)電磁特性的影響;利用5個(gè)單元級(jí)聯(lián)的傳輸線取代傳統(tǒng)微帶天線的50 Ω饋線，設(shè)計(jì)了具有諧波抑制功能的微帶天線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:5個(gè)單元級(jí)聯(lián)的傳輸線能夠在不改變傳統(tǒng)天線有效面積、基模頻率和天線方向圖的前提下可以有效的抑制天線的4次諧波。提出的天線結(jié)構(gòu)是單平面的，不僅易于加工，而且便于實(shí)際應(yīng)用。

微帶螺旋缺陷諧振單元;帶阻特性;諧波抑制;天線

TN820．13;TN822．6

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:1005－9490(2015)01－0070－04

2014－02－12修改日期:2014－03－18

項(xiàng)目來(lái)源:重慶市教委2013年度科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ132206)