《电子技术应用》
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一种基于平面八木天线的小型化宽带滤波天线
2017年电子技术应用第11期
尹 航,汪 敏,吴 文
南京理工大学 近程高速目标探测技术国防重点学科实验室,江苏 南京210094
摘要: 设计了一种基于平面八木天线的小型化宽带滤波天线。平面八木天线由偶极子天线、引向器和反射器组成,其中反射器由地板充当。通过引入一个多模谐振器,使整个天线实现滤波响应。与传统的八木天线相比,所设计的滤波天线具有更宽的带宽,并且对高次谐波的抑制良好(抑制至16 GHz),同时在通带边缘体现出较高的选择性。仿真结果表明,该滤波天线的阻抗带宽为5.4~7.0 GHz,并在此带宽内实现了稳定的增益,平均增益约为3.7 dBi。滤波天线的整体尺寸为0.5 λ0×0.7 λ0(W×L),其中λ0为中心频率6 GHz在自由空间的波长。
中图分类号: TN82
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170593
中文引用格式: 尹航,汪敏,吴文. 一种基于平面八木天线的小型化宽带滤波天线[J].电子技术应用,2017,43(11):103-106,111.
英文引用格式: Yin Hang,Wang Min,Wu Wen. A miniaturized wideband filtering antenna based on the planar quasi-Yagi antenna[J].Application of Electronic Technique,2017,43(11):103-106,111.
A miniaturized wideband filtering antenna based on the planar quasi-Yagi antenna
Yin Hang,Wang Min,Wu Wen
The Ministerial Key Laboratory of JGMT,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China
Abstract: A miniaturized wideband filtering antenna based on the planar quasi-Yagi antenna is presented. The quasi-Yagi antenna contains a dipole and two directors, and the ground plane acts as a reflector. To introduce the filtering response, a multimode resonator is employed. Compared to conventional quasi-Yagi antennas, the proposed filtering antenna has wider passband, good suppression of upper harmonics(up to 16 GHz) and high selectivity at the passband edge. Simulation results show that the filtering antenna operates at 6.0 GHz, and has a broad passband from 5.4 to 7.0 GHz. A measured gain about 3.7 dBi is obtained at end-fire direction within the passband on average. The size of the whole antenna is about 0.5 λ0×0.7 λ0(λ0 is the free-space wavelength at 6.0 GHz).
Key words : filtering antenna;quasi-Yagi antenna;wideband;miniaturized

0 引言

    随着现代无线通信技术的发展,如何将不同功能的器件进行集成并改善其整体性能,已成为一个值得研究的方向。滤波天线一般由天线与滤波器集成而来,不仅有利于整体电路尺寸的减小,同时具有较好的辐射特性与滤波特性。近年来,国内外学者对滤波天线进行了广泛的研究,其中大多数滤波天线是以单极子/偶极子天线[1-3]或者传统贴片天线[4-5]为基础进行设计的,同时也有少数滤波天线是以端射天线为基础进行设计的[6]

    以单极子天线为基础的全向滤波天线[2-3]结构紧凑,具有良好的频率选择性。但是由于全向辐射,这一类滤波天线的增益较低,且带宽也较窄。为了提高增益,一些滤波天线以多层结构的贴片天线为基础进行设计[4-5]。尽管此类滤波天线可以实现高增益的辐射,但是其带宽仍然较窄,只有约20%。此外,多层的结构增加了天线的整体尺寸,也增加了设计复杂度。最近,有学者设计了一种由巴伦滤波器和微带八木天线构成的滤波天线[6],其在增益、频率选择性以及整体尺寸之间取得了一种良好的平衡,但是其谐波抑制较差。通过对相关文献的分析可知,如何实现具有良好滤波响应的平面宽带天线是亟需解决的问题。

    本文设计了一种基于平面八木天线的小型化宽带滤波天线。首先,提出了一个采用新型馈电结构的平面八木天线,其具有较宽的带宽。为了引入滤波响应,将一个多模谐振器嵌入平面八木天线的馈电微带线中。多模谐振器包括两个折叠的T型阶梯阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonator,SIR),可以实现多个传输零点。本文所设计的滤波天线具有更宽的带宽与更高的边沿选择性,同时对高次谐波的抑制良好,可以广泛地应用于测向、远距离通信等场景。

1 滤波天线的设计

    本文提出的滤波天线的结构如图1所示,所使用的基板为εr=4.4、h=0.8的FR4板材。平面八木天线由两个寄生的微带线充当引向器,一个偶极子充当辐射器,而位于介质基板底层的地板则充当了反射器。同时,多模谐振器内嵌在平面八木天线的馈电微带线上。下面给出具体的设计过程。

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1.1 平面八木天线的设计

    平面八木天线采用微带天线的形式,这使其相对于传统的八木天线而言,更易于同其他电路进行集成。但是由于微带具有输入阻抗的谐振效应,因此其阻抗带宽比较窄。本文采用了一种新型馈电方式,无需额外的巴伦即可实现从微带线到共面带状线的转化,并且可以有效地展宽阻抗带宽。如图2(a)所示,偶极子的左臂直接与馈电微带线相连,右臂则通过金属化过孔由地板馈电。左右臂之间的相位差为180°,以实现差分馈电。由于固定的馈电微带线无法在较宽频带内实现准确的180°相位差,因此所设计的八木天线的带宽会有所限制。此外,利用地板进行馈电的方式减弱了地板作为反射器的作用,对天线的端射性能可能会有影响。为了实现良好的阻抗匹配,本文采用了包含四分之一波长阻抗转换器的阶梯阻抗馈电微带线。其中,第一阶微带线的宽度W1为1.5 mm,以便在端口处获得50 Ω的特性阻抗。在引向器和反射器的共同作用下,平面八木天线实现端射方向的辐射。八木天线的偶极子部分采用了折叠的偶极子,这有利于整体尺寸的减小。同时,偶极子部分采用了“领结”型渐变的结构,这使得其阻抗变换趋于缓慢,从而有利于提高平面八木天线的阻抗带宽[7]

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    仿真所得的平面八木天线的反射系数与增益如图2(b)所示。平面八木天线的阻抗带宽为5.3~7.6 GHz,约36%;阻抗带宽内的最大增益为4.7 dBi。可以看出,得益于特殊的馈电结构与“领结”型渐变的偶极子,平面八木天线的阻抗带宽有了较大的提高。

    但是,该八木天线在频率和增益上的选择性较差,同时几乎没有对高次谐振的抑制作用。为了解决上述问题,需要引入滤波响应。

1.2 滤波响应的引入

    为了引入滤波响应,本文采用了一个多模谐振器,其结构如图3(a)所示。该多模谐振器包含两个折叠的T型SIR,并且T型SIR与输入输出微带线之间形成平行耦合,从而使得信号得以传输。整个多模谐振器在其几何中心处关于X轴与Y轴均呈对称。与普通的SIR相比,折叠的T型SIR拥有相似的谐振特性以及更小的尺寸。多模谐振器的输入输出结构采用平行耦合的方式,这使得交叉耦合比较强,从而在通带内可以有效减小传输损耗。这种馈电结构可以在通带的带外产生多个传输零点,并且零点的位置可以调节。当其他参数不变时,增加耦合臂的长度FL1,传输零点的位置会向低频移动。通过调整零点的位置,可以实现对高次谐波的抑制以及提高通带边沿的选择性。所采用的多模谐振器不仅结构紧凑,而且输入输出端口的特性阻抗均为50 Ω。这些特性使得该多模谐振器易于同平面八木天线进行结合。

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    如图3(b)所示,该多模谐振器在3.2 GHz、9.3 GHz、12.2 GHz处分别产生了一个传输零点。多模谐振器的通带为5.3~7.0 GHz,且通带内的插入损耗较低,同时带外抑制良好,高频谐波抑制至16 GHz。此外,该多模谐振器的纵向长度只有3.2 mm。

    将上述多模谐振器嵌入平面八木天线的馈电微带线上,并不会增加原来天线的尺寸。同时,由于多模谐振器的输入输出端口的特性阻抗与平面八木天线馈电端口处的特性阻抗均为50 Ω,因此无需额外的阻抗匹配结构即可实现集成。最终实现的滤波天线的结构如图1所示。

2 仿真结果分析

    利用仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)对图1所示的滤波天线进行仿真,其结果如图4所示。滤波天线的阻抗带宽为5.4~7.0 GHz,约25.8%;3 dB增益带宽为4.5~7.3 GHz,约47.5%。在滤波天线的阻抗带宽内,增益比较稳定,每个频点处的增益均大于3.0 dB,而带内平均增益为3.7 dB。与1.1节中的平面八木天线相比,虽然其阻抗带宽有所减小,但是通带边沿的选择性有了较大提高,并且对高次谐波的抑制良好,至16 GHz;同时,带外增益的抑制水平良好,增益抑制度均超过14 dB。所设计的滤波天线的具体参数如表1所示。

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    所设计的滤波天线在5.5 GHz、6.0 GHz、7.0 GHz处的辐射方向图如图5所示。由图5可知,所设计的滤波天线在3个频点处的辐射方向图保持稳定,并且同传统八木天线的方向图相似,能够实现端射方向的辐射,阻抗带宽内的前后比大于15 dB。同时,天线的交叉极化抑制良好,均在-18 dB以下。

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    表2将本文所设计的滤波天线与已发表的相关文献进行对比。从表2中可以看出,本文所设计的滤波天线在展宽带宽和谐波抑制两方面具有明显优势,并且采用了平面结构。除此以外,本文的滤波天线能够在端射方向实现稳定增益的辐射,这使得其在无线通信系统中有着广泛的应用前景。

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3 结论

    本文设计了一种基于平面八木天线的小型化宽带滤波天线。这种天线不仅能实现较宽的阻抗带宽和稳定的端射方向辐射,而且通过引入多模谐振器,能得到良好的带外抑制效果与较高的边沿选择性。仿真得到所设计的滤波天线的阻抗带宽约为25.8%,3 dB增益带宽约47.5%,阻抗带宽内的平均增益为3.7 dB;在阻抗带宽内,滤波天线的辐射方向图稳定,并且交叉极化均在-18 dB以下。同时,该滤波天线对于高次谐波的抑制可至16 GHz。综上,本文设计的滤波天线结构紧凑,具有良好的辐射性能与滤波效果,适合测向、远距离通信等多种无线通信系统的使用。

参考文献

[1] SUN G H,WONG S W,ZHU  L,et al.A compact printed filtering antenna with good suppression of upper harmonic band[C].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:1349-1352.

[2] CHUANG C T,CHUNG S J.Synthesis and design of a new printed filtering antenna[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2011,59(3):1036-1042.

[3] CHUANG C T,CHUNG S J .A compact printed filtering antenna using a ground-intruded coupled line resonator[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2011,59(10):3630-3637.

[4] HU P F,PAN Y M,ZHANG X Y,et al.A compact filtering dielectric resonator antenna with wide band-width and high gain[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2016,64(8):3645-3651.

[5] ZHANG X Y,DUAN W,PAN Y M.High-gain filtering patch antenna without extra circuit[J].IEEE  Trans.Antennas Propag.,2015,63(12):5883-5888.

[6] TANG H,CHEN J X,CHU H,et al. Integration design of filtering antenna with load-insensitive multilayer balun filter[J].IEEE Trans.Compon. Packag. Manuf. Technol.,2016,6(9):1408-1416.

[7] 陈亚军,章传芳,徐志.改进型准八木微带天线[J].现代雷达,2009,31(3):60-62.