CN108777356B - 一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法，微带天线包括圆形微带天线、T‑形谐振器和微带矩形开口环谐振器，圆形微带天线设置一个矩形切口，T‑形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，T‑形谐振器沿x轴分布的水平臂靠近微带矩形开口环谐振器设置。设计方法包括设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率，设计T‑形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间的耦合系数，以及设计满足滤波器对圆形微带天线的品质因数的要求。本发明微带天线结构紧凑，不仅具有类似传统带通滤波器的频率滤波特性，而且通带内天线增益平坦，辐射特性较好；在工作频带外具有很好的带外抑制特性，能够有效隔离带外的干扰信号。

Description

一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法

技术领域

本发明属于电磁兼容与天线技术领域，具体涉及一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法。

背景技术

随着现代无线局域网、移动媒体设备等各类无线通信系统的快速发展，无线通信频段变得越来越拥挤，从而造成无线通信信号传输质量恶化，系统易受到干扰等问题，为了应对这样的挑战，对无线通信系统天线的滤波特性提出了较高要求。为了保证无线通信系统具有高传输质量、高数据传输速率、以及小型化的特点，要求作为信号辐射与接收的天线具有较好频率滤波特性、紧凑结构、以及低成本特点。

通过对已开展具有滤波特性天线研究进行总结，发现主要使用以下两种技术。第一种技术是利用多个辐射器之间的耦合作用，获得天线的滤波特性，例如微带贴片天线利用四层贴片相互耦合产生谐振，得到了具有滤波特性的微带天线，但是这种设计方法对设计者的工程经验依赖性较高，不适于拓展推广，通用性相对较差。第二种技术是引入额外的变换结构，获得天线的滤波特性，例如在滤波器和天线之间设计一个额外的阻抗变换结构，获得了较好的阻抗带宽和滤波特性，然而这种变换结构增加了整个系统的复杂性，包括增加了它的重量、尺寸和损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有无线通信系统存在的上述不足，提供一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法，该微带天线结构紧凑，不仅具有类似传统带通滤波器的频率滤波特性，而且通带内天线增益平坦，辐射特性较好；在工作频带外具有很好的带外抑制特性，能够有效隔离带外的干扰信号。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种具有滤波特性的微带天线，包括圆形微带天线、T-形谐振器和微带矩形开口环谐振器，所述微带矩形开口环谐振器为根据耦合带通滤波器综合方法设计的参考的三阶切比雪夫耦合带通滤波器中的一个谐振器；所述T-形谐振器由沿x轴分布的水平臂和沿y轴分布的垂直臂组成，水平臂以垂直臂为对称轴(左右对称)；所述圆形微带天线设置一个矩形切口， T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，T-形谐振器沿x轴分布的水平臂靠近微带矩形开口环谐振器设置。

设计的参考三阶切比雪夫耦合带通滤波器由三个微带矩形开口环谐振器组成，其中第一个微带矩形开口环谐振器作为具有滤波特性微带天线的微带矩形开口环谐振器。

本发明还提供了一种上述具有滤波特性的微带天线的设计方法，包括如下步骤：

(1)微带矩形开口环谐振器的设计，利用耦合带通滤波器综合方法设计一款带内0.1dB 等波纹，中心频率为2.45GHz，阻抗带宽为10％的三阶切比雪夫耦合带通滤波器，三阶切比雪夫耦合带通滤波器由三个矩形开口环谐振器组成，其中一个矩形开口环谐振器作为微带矩形开口环谐振器；

(2)T-形谐振器的设计，设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率，以及设计T-形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间所需的耦合系数；

(3)圆形微带天线的设计，设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率，将 T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，获得圆形微带天线与T-形谐振器之间所需的耦合系数，同时还设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器对圆形微带天线的品质因数的要求(从而实现圆形微带天线既为辐射结构的同时，也为三阶切比雪夫耦合带通滤波器的最后一个谐振器)。

按上述方案，所述步骤(1)中，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的三个矩形开口环谐振器间的耦合系数为k₁₂＝k₂₃＝0.092，其中k₁₂为第一矩形开口环谐振器与第二矩形开口环谐振器之间的耦合系数、k₂₃为第二矩形开口环谐振器与第三矩形开口环谐振器之间的耦合系数，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的输入/输出端的外部品质因数为Q_ext,1＝Q_ext,2＝10.3，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的第一个矩形开口环谐振器作为微带天线的微带矩形开口环谐振器，印制在厚度为1mm、介电常数为ε_r＝2.65、长×宽尺寸为L×W的介质材料板上。

按上述方案，所述步骤(2)中，T-形谐振器的水平臂的臂长为l₁、臂宽为W₂；T-形谐振器的垂直臂的臂长为l₂、臂宽为W₂，l₁+l₂为工作频段中心频率(2.45GHz)所对应波长的四分之一。

按上述方案，所述步骤(2)中，T-形谐振器的水平臂与矩形开口环谐振器之间的间距为 S₂，通过改变S₂大小调节T-形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间的耦合系数。

按上述方案，所述步骤(3)中，圆形微带天线与T-形谐振器之间的耦合系数，主要由 T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口深度(l₂-S₃)和垂直臂与矩形切口之间间距S₄调节，其中S₃为T-形谐振器沿x轴分布的水平臂与矩形切口之间间距。

按上述方案，所述步骤(3)中，圆形微带天线的谐振频率由圆形微带天线的半径R决定，圆形微带天线的品质因数Q_A采用下式计算

式中Z_in是圆形微带天线馈电点处的输入阻抗，w为角频率变量，w₀为中心频率(2.45GHz)对应的角频率；

通过改变圆形微带天线的矩形切口的深度，调节圆形微带天线的输入阻抗Z_in，进而调节圆形微带天线的品质因数Q_A。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明微带天线具有类似传统带通滤波器的频率滤波特性，而且通带内天线增益平坦，带外两侧因各有一个传输零点，在工作频带外具有很好的带外抑制特性，能够有效隔离带外的干扰信号；

2、结构紧凑，具有小型化的特点，设计方法实现了圆形微带天线与不同滤波器谐振器结构的良好集成，尤其适用于无线通信系统的射频前端。

附图说明

图1为本发明参考的三阶切比雪夫耦合带通滤波器的结构示意图；

图2为本发明具有滤波特性的微带天线的结构示意图；

图3为本发明具有滤波特性的微带天线仿真反射系数与增益曲线图；

图4(a)为本发明实施例具有滤波特性的微带天线在2.45GHz的E-面仿真方向图；

图4(b)为本发明实施例具有滤波特性的微带天线在2.45GHz的H-面仿真方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明具有滤波特性的微带天线的几何结构如附图2所示，它由圆形微带天线、T-形谐振器和微带矩形开口环谐振器组成。在开展具有滤波特性的圆形微带天线设计时，首先需要综合设计一款三阶切比雪夫耦合带通滤波器，包括三个矩形开口环谐振器，如附图1所示。利用耦合带通滤波器综合方法设计一款0.1dB等波纹，中心频率为2.45GHz，阻抗带宽为10％的三阶切比雪夫耦合带通滤波器。三个矩形开口环谐振器间的耦合系数为k₁₂＝k₂₃＝0.092，其中k₁₂为第一矩形开口环谐振器1与第二矩形开口环谐振器2之间的耦合系数、k₂₃为第二矩形开口环谐振器2与第三矩形开口环谐振器3之间的耦合系数，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的输入/输出端的外部品质因数为Q_ext,1＝Q_ext,2＝10.3。三阶切比雪夫耦合带通滤波器的第一个矩形开口环谐振器作为微带天线的微带矩形开口环谐振器，印制在厚度为1mm、介电常数为ε_r＝2.65、长×宽尺寸为L×W的介质材料板(L为长、W为宽)上。

然后开展T-形谐振器设计，该结构由沿x轴分布的水平臂和沿y轴分布的垂直臂(中间的枝节)组成，水平臂以垂直臂为对称轴，左右对称，水平臂的臂长为l₁、臂宽为W₂；垂直臂的臂长为l₂、臂宽为W₂，l₁+l₂约为工作频段中心频率所对应波长的四分之一。T-形谐振器的水平臂与微带矩形开口环谐振器之间的间距为S₂，通过改变S₂大小，调节T-形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间的耦合系数。

最后开展圆形微带天线设计，此处的圆形微带天线在起辐射作用的同时，还充当滤波器的最后一个谐振器，所以圆形微带天线设计时，需满足滤波器对谐振频率和品质因数Q_A的要求，其中圆形微带天线的谐振频率由圆形微带天线的半径R决定，圆形微带天线的介质材料板尺寸为L×W＝68mm×65mm。圆形微带天线的品质因数Q_A通过改变圆形微带天线的矩形切口的深度来调节。

圆形微带天线与T-形谐振器之间的耦合系数，主要由T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口深度(l₂-S₃)和垂直臂与矩形切口之间间距S₄调节。

为了获得具有滤波特性的微带天线的最优性能，需对圆形微带天线、T-形谐振器和微带矩形开口环谐振器进行整体优化仿真，采用软件HFSS 17进行了结构尺寸的优化仿真，主要调节T-形谐振器的水平臂与矩形开口环谐振器之间的间距S₂、T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口深度l₂-S₃、以及间距S₄，最终优化好的尺寸为：W＝65mm， W₁＝1.64mm，W₂＝1mm，L＝68mm，l₁＝26.6mm，l₂＝16.1mm，S₁＝0.5mm，S₂＝0.22mm，S₃＝2mm， S₄＝1.1mm，S₅＝1.3mm，a＝11.7mm，g＝3mm，R＝22.5mm，其中W₁为馈电线的线宽，S₁为馈电线离矩形开口环谐振器低端的距离，S₅为T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂末端距离矩形切口底部的距离，a为矩形开口环谐振器的边长，g为矩形开口环谐振器的开口长度。

利用HFSS 17对优化设计后的具有滤波特性的圆形微带天线进行反射系数和增益曲线仿真，附图3给出了具有滤波特性的微带天线反射系数，仿真阻抗带宽为6.4％(2.37-2.53GHz)。附图3也给出了仿真增益随频率变化的曲线，从图中可以看到通带内增益变化很平坦，增益约为8dB；由于通带两侧各有一个传输零点，因此在通带外200MHz处增益迅速减小到-7dB 以下，这说明微带天线具有很好的带外抑制特性。

优化设计后的具有滤波特性的微带天线在2.45GHz的E面和H面的仿真方向图如附图4 所示。在方向图主瓣范围内，主极化方向图比交叉极化大30dB以上。E面和H面方向图呈对称特性，E面方向图的半功率波瓣宽度为78°；H面方向图的半功率波瓣宽度为70°。图 4说明本发明具有滤波特性的微带天线具有较好的极化特性和较宽的辐射覆盖角度。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种具有滤波特性的微带天线，其特征在于，包括圆形微带天线、T-形谐振器和微带矩形开口环谐振器，所述微带矩形开口环谐振器为根据耦合带通滤波器综合方法设计的参考的三阶切比雪夫耦合带通滤波器中的一个谐振器，微带矩形开口环谐振器位于T-形谐振器的正下方；所述T-形谐振器由沿x轴分布的水平臂和沿y轴分布的垂直臂组成，水平臂以垂直臂为对称轴；所述圆形微带天线设置一个矩形切口，T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，T-形谐振器沿x轴分布的水平臂靠近微带矩形开口环谐振器设置。

2.一种上述权利要求1所述的具有滤波特性的微带天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)微带矩形开口环谐振器的设计，利用耦合带通滤波器综合方法设计一款带内0.1dB等波纹，中心频率为2.45GHz，阻抗带宽为10％的三阶切比雪夫耦合带通滤波器，三阶切比雪夫耦合带通滤波器由三个矩形开口环谐振器组成，其中一个矩形开口环谐振器作为微带矩形开口环谐振器；

(2)T-形谐振器的设计，设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率、以及设计T-形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间所需的耦合系数；

(3)圆形微带天线的设计，设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率，将T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，获得圆形微带天线与T-形谐振器之间所需的耦合系数，同时还设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器对圆形微带天线的品质因数的要求。

3.如权利要求2所述的具有滤波特性的微带天线的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的三个矩形开口环谐振器间的耦合系数为k₁₂＝k₂₃＝0.092，其中k₁₂为第一矩形开口环谐振器与第二矩形开口环谐振器之间的耦合系数、k₂₃为第二矩形开口环谐振器与第三矩形开口环谐振器之间的耦合系数，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的输入/输出端的外部品质因数为Q_ext,1＝Q_ext,2＝10.3，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的第一个矩形开口环谐振器作为微带天线的微带矩形开口环谐振器，印制在厚度为1mm、介电常数为ε_r＝2.65、长×宽尺寸为L×W的介质材料板上。

4.如权利要求2所述的具有滤波特性的微带天线的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，T-形谐振器的水平臂的臂长为l₁、臂宽为W₂；T-形谐振器的垂直臂的臂长为l₂、臂宽为W₂，l₁+l₂为工作频段中心频率所对应波长的四分之一。

5.如权利要求2所述的具有滤波特性的微带天线的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，T-形谐振器的水平臂与矩形开口环谐振器之间的间距为S₂，通过改变S₂大小调节T-形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间的耦合系数。

6.如权利要求4所述的具有滤波特性的微带天线的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，圆形微带天线与T-形谐振器之间的耦合系数，主要由T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口深度(l₂-S₃)和垂直臂与矩形切口之间间距S₄调节，其中S₃为T-形谐振器沿x轴分布的水平臂与矩形切口之间间距。

7.如权利要求2所述的具有滤波特性的微带天线的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，圆形微带天线的谐振频率由圆形微带天线的半径R决定，圆形微带天线的品质因数Q_A采用下式计算

式中Z_in是圆形微带天线馈电点处的输入阻抗，w为角频率变量，w₀为中心频率对应的角频率；

通过改变圆形微带天线的矩形切口的深度，调节圆形微带天线的输入阻抗Z_in，进而调节圆形微带天线的品质因数Q_A。

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