崔林威，余世星，寇 娜，張正平

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

隨著第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的日臻成熟，濾波天線作為一種把天線和濾波器集成化設(shè)計(jì)的一種新型微波器件越來(lái)越受到廣大研究人員的青睞[1]。濾波天線這種將天線和濾波器協(xié)同設(shè)計(jì)的方法不但省去了濾波器和天線之間的阻抗匹配電路，從而實(shí)現(xiàn)微波器件的小型化，降低整體電路的插入損耗，而且在很大程度上改善了天線的抗干擾效果[2]。

目前，濾波天線的實(shí)現(xiàn)方法總體上分為兩種[3-4]。一種濾波天線的實(shí)現(xiàn)方法是在天線的輻射貼片上加載枝節(jié)或者刻蝕縫隙從而改變天線的輻射模式[4]，通過(guò)這種方法設(shè)計(jì)的大多是一些窄帶天線或是一些陷波特性天線[4-5]，比如在微帶貼片天線上引入縫隙實(shí)現(xiàn)諧波抑制等。另一種實(shí)現(xiàn)途徑是在天線的饋線上加載濾波器設(shè)計(jì)具有濾波效果的抗干擾天線。文獻(xiàn)[6]提出的一種高選擇性低剖面濾波端射天線，將帶阻濾波元件集成到常規(guī)準(zhǔn)Yagi天線的饋線中，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果顯示在通帶的高頻邊緣天線具有良好的頻率選擇效果。文獻(xiàn)[7]主要通過(guò)在不影響天線輻射特性的前提下在全向偶極子貼片天線的饋電網(wǎng)絡(luò)中加載U形微帶線和工形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的濾波特性,最終設(shè)計(jì)出一款低剖面偶極子全向?yàn)V波天線。

本文在文獻(xiàn)[6]和[7]設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用傳統(tǒng)準(zhǔn)Yagi天線的端射形式，通過(guò)在天線的金屬地上加載一種正八邊形CSRR缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure,簡(jiǎn)稱DGS)達(dá)到濾波效果；最終通過(guò)天線和缺陷地帶阻濾波器的綜合設(shè)計(jì)方法，巧妙設(shè)計(jì)出一款高選擇性低交叉極化寬帶端射濾波天線。該濾波天線在未來(lái)5G通信和衛(wèi)星通信領(lǐng)域都將會(huì)擁有非常廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值。

1 濾波天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的濾波天線整體上由傳統(tǒng)的準(zhǔn)Yagi天線和CSRR-DGS帶阻濾波器協(xié)同設(shè)計(jì)而成。采用基板相對(duì)介電常數(shù)為2.65，基板厚度1 mm，損耗正切為0.006。DGS刻蝕縫隙的寬度取0.2 mm。如圖1所示，濾波天線的整體結(jié)構(gòu)主要由微帶饋線、一對(duì)L形偶極子驅(qū)動(dòng)器、條形金屬帶和蝕刻有正八邊形CSRR-DGS圖案的金屬地組成。饋線、條形金屬帶和一個(gè)L形偶極子位于頂部，而另一個(gè)偶極子則位于基片底部接地面上。通過(guò)在高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS15中仿真計(jì)算得到天線的詳細(xì)參數(shù)如下：

L=55 mm,W=35 mm,GL=23 mm,W1=2.63 mm,W2=2 mm,W3=1.3 mm,W4=0.17 mm,W5=0.74 mm,L1=32 mm,L2=8.3 mm,L3=13.2 mm,L4=5.5 mm,L5=18 mm,g=0.3 mm，R1=2.6 mm，R2=2.2 mm。

圖1 濾波天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the filter antenna

2 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與分析

圖2 DGS對(duì)天線的回波損耗的影響Fig.2 Effect of the DGS on antenna return loss

圖3 濾波天線增益曲線仿真結(jié)果Fig.3 Simulated results of the Filter antenna gain curve

圖2是本文設(shè)計(jì)的加載CSRR-DGS的新型濾波天線和原天線在HFSS15高頻電磁仿真軟件中回波損耗曲線的對(duì)比仿真結(jié)果。在3.6～4.7 GHz的通帶內(nèi)，天線的反射系數(shù)S11<-10 dB,相對(duì)帶寬達(dá)到26.5%；濾波天線的回波損耗曲線在通帶的上升邊緣更加陡峭，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)Yagi天線相比，帶外有明顯的截止特性，頻帶隔離度好，抗干擾性強(qiáng)。

圖3是濾波天線增益隨頻率變化的曲線，在增益曲線的低頻帶邊緣和高頻帶邊緣分別存在兩個(gè)輻射零點(diǎn)。濾波天線在3.6～4.7 GHz頻帶內(nèi)，增益均大于2 dBi，最大增益達(dá)到4.6 dBi；天線在3.7～4.7 GHz的寬帶范圍內(nèi)增益起伏小于1 dBi，增益起伏平穩(wěn)，具有良好的輻射穩(wěn)定性。

圖4是濾波天線分別給出天線工作頻帶內(nèi)4.0 GHz和4.5 GHz兩個(gè)諧振點(diǎn)上輻射方向圖，根據(jù)天線的放置位置坐標(biāo)和方向圖的輻射效果，天線很好地實(shí)現(xiàn)了端射的輻射效果。

圖4 不同頻點(diǎn)濾波天線的增益方向圖Fig.4 Radiation pattern of the antenna at different frequencies

圖5 不同頻點(diǎn)濾波天線的極化方向圖Fig.5 Polarization pattern of the antenna at different frequencies

圖5分別給出了濾波天線在4.0 GHz和4.5 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)上的極化方向圖，可以觀察到天線在工作帶寬內(nèi)E面和H面輻射方向圖均處在較低的交叉極化水平。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)的端射天線的基礎(chǔ)上結(jié)合CSRR缺陷地結(jié)構(gòu)的帶阻特性，將天線和濾波器的設(shè)計(jì)方法綜合，巧妙設(shè)計(jì)了一款工作在C波段的高頻率選擇性低交叉極化寬帶端射濾波天線。通過(guò)在天線的反射型金屬地上蝕刻CSRR型缺陷圖案，在天線工作頻帶的高頻邊緣引入輻射零點(diǎn)，提高頻帶上邊緣的頻率選擇性；最終所設(shè)計(jì)濾波天線的相對(duì)帶寬達(dá)到26.5%，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶，最大增益達(dá)到4.6 dBi，天線在3.7～4.7 GHz內(nèi)增益起伏小于1 dBi，輻射穩(wěn)定性好，并且在工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較低的交叉極化水平。本文所設(shè)計(jì)的濾波天線在未來(lái)5G通信和衛(wèi)星通信領(lǐng)域都將擁有著廣闊的應(yīng)用前景和價(jià)值。