耿彦峰， 赵 凯， 赵文彪， 陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

差分双频滤波天线设计

耿彦峰， 赵 凯， 赵文彪， 陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

本文设计了一个能够工作在WLAN频段的差分双频滤波天线， 该差分双频滤波天线由差分双频滤波器和差分双频天线构成. 通过在天线的馈线上插入滤波器， 可以改善滤波天线阻抗带宽； 通过在双频滤波器内部引入交叉耦合和内部反馈特性， 可以有效提高滤波天线的选择性. 仿真结果表明： 该差分滤波天线可以工作在2.4 GHz和5.8 GHz频率范围内， 两个通带的相对带宽达到17%和20%， 并且在2.05 GHz, 4.75 GHz和6.95 GHz出现了3个辐射零点， 两个通带内最大增益均达到了3.3 dBi.

滤波器； 双频滤波天线； 交叉耦合

随着无线通信技术的迅速发展， 对现代微波和无线通信系统提出了更高的要求， 需要构成系统的各部分尺寸小， 制作成本低， 功耗低； 而且更为重要的是能够不受工作环境中电磁噪声的影响. 单端的系统会受到周围环境中噪声和器件里面的电噪声的影响， 导致系统的性能降低； 为了改善系统性能， 可以采用差分电路， 以获得抑制共模信号的能力. 另外， 作为射频前端关键器件的天线和滤波器， 需要其具有多频带工作、 高选择性、 大增益和小尺寸等特点， 将滤波器和天线协同设计， 并且工作在无线局域网WLAN的2.4～2.483 5 GHz和5.25～5.85 GHz两个工作频段显得尤为重要， 这样可以减小系统体积、 提升系统性能， 如通带增益， 带外抑制特性等.

将滤波器和天线协同的设计， 已经有很多的研究. 为了达到小型化， 文献[1]在设计好的贴片天线馈线中插入了一个小型的带通滤波器； 近年来， 还有很多学者将多阶滤波器的最后一阶和输出端口扩展成具有辐射特性的滤波天线， 使得该结构同时具有滤波器和天线的双重性能[2-5]. 不过， 该类型的滤波天线主要工作在单频段. 为了使得天线具有差分结构和滤波特性， Chung-Hwa Wu等将宽带单端巴伦滤波器和八木天线相连接[6]； Jin Shi等人采用了差分双边平行带线结构DSPSL(Double-Sided Parallel-Strip Line)在准八木天线的馈线上插入了一个双边平行带线的耦合线谐振器[7]， 构成了滤波天线， 其带宽较窄， 带外抑制不够高.

本文设计了一个差分双频滤波天线， 为了抑制环境噪声， 采用DSPSL结构设计了一个差分的双频滤波器和一个差分双频准八木天线， 然后将差分的双频滤波器插入到差分八木天线的馈线上， 得到了同时具有滤波和辐射功能的差分双频滤波天线； 而且通过在双频滤波器内部引入交叉耦合和内部反馈特性， 有效提高了差分双频滤波天线的选择性， 仿真结果表明设计的差分双频滤波天线具有宽的带宽、 高的选择性和比较高的增益.

1 差分双频带滤波器设计

1.1 滤波器结构

图 1(a) 给出了设计的差分双频滤波器的结构图. 滤波器结构分为5层， 从上至下依次是顶层滤波器、 介质层1、 中间接地板、 介质层2和底层滤波器. 顶层和底层的滤波器分别由4个λ/4 SIR的谐振器组成； 中间的接地板是H型结构， 顶层和底层的8个λ/4 SIR的谐振器经过过孔连接到H型接地板上，H型接地板的两边分别作为滤波器馈线的接地板. 通过调整SIR的阻抗比和长度比， 可以使外侧的两个SIR谐振器的基本谐振频率和第一杂散频率调整在滤波器的第1和第2工作频带， 内侧的两个SIR谐振器的基本谐振频率在第2个工作频带.

图 1 设计的差分双频滤波器Fig.1 The differential dual-frequency filter

在差模信号的激励下， 顶层和底层具有相同的结构， 所以在两个介质之间形成一个理想的电壁(虚地)， 插入的H型接地板与电壁重叠， 且对顶层和底层的电路没有影响， 由于电壁的引入， 基于DSPSL结构的差分滤波器可以看成两个背对背的微带滤波器.

在共模信号激励下， 在两个介质中间形成了理想的磁壁(开路)， 理想磁壁不会影响H型接地板的效果， 其中H型接地板中间连接线的宽度将影响共模信号的传输， 随着连接线的宽度的减小， 顶层(底层)和接地板之间的电场被削弱， 而且底层和顶层之间具有相同的电位， 没有电场能够形成， 所以共模信号得到了很好的抑制.

1.2 滤波器设计

根据SIR谐振器基本理论， 当SIR结构由θ1=θ2=θ0的两组微带线构成， 高阻抗部分的特性阻抗为Z1， 低阻抗部分的特性阻抗为Z2， 阻抗比为Rz=Z2/Z1. 对于1/4波长的SIR， 第一谐振频率和第二谐振频率之间的关系[8]为

根据式(1)和式(2)， 调整SIR谐振器的阻抗比和长度比使得外部谐振器的基本谐振频率和第一杂散谐振频率谐振在2.4 GHz和5.8 GHz， 内部谐振器基本谐振频率谐振在5.8 GHz.

设计双频滤波器的两个通带分别具有2阶Butterworth和4阶CQ (Cascaded Quardruplet)的低通模型， 相对带宽分别为25%和25%. 根据滤波器的基本理论[9]：

对于2阶Butterworth型滤波器计算外部品质因数和耦合系数的公式为

对于4阶CQ型滤波器计算外部品质因数和耦合系数的公式为

图 2 滤波器的仿真结果Fig.2 The simulated results of filter

设计的滤波器采用εr= 4.4,h=0.8 mm, tanδ=0.02 的FR4介质基板， 根据式(3)～式(10)， 确定各个谐振器之间的耦合距离和馈电位置.

利用HFSS优化后的各部分参数如下：l11=7.8 mm,l12=3.5 mm,l13=4 mm,l14=1.8 mm,w11=0.6 mm,w12=0.3 mm,l2=5.25 mm,w2=1 mm,win=1.5 mm,g12=0.2 mm,s12=0.35 mm,g23=0.4 mm,g14=0.1 mm,t=4. 5 mm,via1=0.2mm,via2=0.2 mm,lg1=45 mm,wg1=2 mm,wg2=2.3 mm.

图 2 给出了滤波器的仿真结果. 滤波器工作在2.35 GHz 和5.7Hz两个频段， 中心频率处的插入损耗分别为0.85 dB和1.2dB， 3 dB的相对带宽为26%(从2.05 GHz 到2.66 GHz)和22%(从5.08 GHz到6.36 GHz)， 由于外部谐振器折叠， 在谐振器内部引入反馈， 使得在第一频带外产生了传输零点， 而且内部和外部谐振器之间具有耦合特性， 所以在第二频带两侧形成了两个传输零点， 提高了带通滤波器的选择性.

2 差分双频天线设计

2.1 天线结构

本文设计了一个能够工作在2.4 GHz和5.8 GHz的基于双边平行带线结构的差分双频天线， 如图 3 所示. 采用双层介质结构， 两层介质基板具有相同的特性， 介电常数为εr=4.4， 厚度为0.8 mm， 介质损耗角为0.02. 双偶极子分布在双层介质层的顶部和底部， 长偶极子长度谐振在2.4 GHz， 短偶极子谐振在5.8 GHz， 长偶极子经过两次弯折以减小天线尺寸； 引向器和反射器位于两层介质板之间， 引向器位于天线的辐射方向， 反射器位于天线的背向辐射方向； 双偶极子由双边平行带线的耦合线馈电.

图 3 基于DSPSL的差分双频天线基本结构图 Fig.3 The structure of differential dual-frequency antenna based on DSPSL

2.2 参数分析

通过对天线进行敏感性分析， 发现长偶极子的弯折特性、 长短偶极子天线之间的间隔以及短偶极子和引向器之间的间隔对天线的阻抗特性和辐射特性有重要的影响. 为了便于结果的分析， 在考察每个参数对天线性能的影响时， 都保持天线的其他参数不变.

图 4 列出了长偶极子天线弯折后长度L12对天线性能的影响， 随着L12的增大， 天线第一频带的中心频率右移， 而且阻抗带宽变宽， 第二频带的带宽基本不变； 图 5 列出了长短偶极子之间距离Sab对天线性能的影响， 随着Sab的变大， 第一频带的阻抗带宽增宽， 但第二频带的匹配变差， 综合考虑两个频带的特性， 选取Sab为6 mm. 图 6 列出了引向器与短偶极子的距离Sdir对天线性能的影响， 随着Sab的减小， 第二频带的阻抗带宽增宽， 第一频带的中心频率和带宽基本不变.

图 4 L12对天线性能的影响Fig.4 The S11 for different L12

图 5 Sab对天线性能的影响Fig.5 The S11 for different Sab

利用仿真软件优化后的天线参数为：Lfeed=21 mm，Wfeed=1.5 mm,L11=18.5 mm,L12=0.3 mm,L13=9.4 mm,L2=6.7 mm,W1=0.8 mm,W2=1.1 mm,Sab=6 mm,Ldir=10 mm，Wdir=1 mm，Sdir=2.5 mm. 仿真的S参数如图 7 所示. 从图 7 中可以看出两个频带的中心频率分别是2.35 GHz和5.7 GHz， 两个通带带宽分别为180 MHz和1.84 GHz. 两个频带内的增益最大分别可以达到1.7 dBi和4 dBi.

图 6 Sdir对天线性能的影响Fig.6 The S11 for different Sdir

图 7 差分双频天线的S参数Fig.7 The S for the differential dual-frequency antenna

3 差分双频滤波天线设计

将设计的滤波器直接插入到双频天线的馈线上， 如图 8 所示. 通过将滤波器插入到天线的馈线上， 可以把馈入天线之前的输入信号经过滤波器的滤波， 提高信号的选择性， 而且滤波器的引入有利于改善天线的阻抗匹配特性. 另外， 插入滤波器后， 可以将滤波器中插入中间的H型接地板延长， 并作为准八木天线的反射板.

图 8 差分双频滤波天线Fig.8 The proposed differential dual-frequency filtering-antenna

图 9 差分双频滤波天线的S参数Fig.9 The S for differential dual-frequency filtering-antenna

图 10 通带增益Fig.10 The gain of filtering-antenna

通过参数优化得到设计的差分滤波天线的仿真结果如图 9～图 11 所示. 图 9 给出了优化后的差分滤波天线的S参数， 两个通带的中心频率分别在2.4 GHz和5.8 GHz， 两个通带的相对带宽达到17%和20%， 与图 7 相比， 第一个通带的带宽变宽， 第二个通带的带宽有所减小， 说明在天线的馈线上插入滤波器改善了第一通带的阻抗匹配. 图 10 给出了滤波天线在两个通带的增益， 从图 10 中可以看出， 两个通带内的增益比较平坦， 最大增益达到3.3 dBi， 并且在2.05 GHz, 4.75 GHz和6.95 GHz出现了3个辐射零点， 极大地改善了通带的选择性. 图 11 给出了2.45 GHz和5.5 GHz的辐射方向图， 从图 11 中可以看出， 天线辐射方向都是朝着引向器的方向.

4 结 论

本文设计了一个能够工作在WLAN频段的差分双频天线， 通过将滤波器嵌入天线的馈线上， 改善了差分滤波天线的阻抗带宽； 通过在双频滤波器内部引入交叉耦合和内部反馈特性， 有效提高了滤波天线的选择性. 仿真结果表明： 该差分滤波天线可以工作在2.4 GHz和5.8 GHz频率范围内， 两个通带的相对带宽达到17%和20%， 并且在2.05 GHz， 4.75 GHz和6.95 GHz出现了3个辐射零点， 很好地提高了选择性， 另外， 在两个通带内最大增益均达到了3.3 dBi.

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[9] Hong Jiasheng, Lancaster M J. Microstrip Filter for RF/Microwaves Application[M]. New York, Wiley, 2001.

Design of Diffirential Dual-Fequency Filting-Antenna

GENG Yanfeng, ZHAO Kai, ZHAO Wenbiao, CHEN Xinwei

(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

In this paper, a differential dual-frequency filtering-antenna is designed for WLAN band. The differential dual-frequency filtering-antenna is consist of a differential dual-frequency filter and a differential dual-frequency antenna. By embedding a filter inside feeding line of antenna, the impedance bandwidth can be improved for the differential dual-frequency filtering-antenna. And by adopting the cross coupled and self-feedback structure, the good selectivity at the pass band edge can be achieved. The simulation results show that the proposed differential dual-frequency filtering-antenna can work at center frequencies of 2.4 GHz and 5.8 GHz, with the fractional bandwidth band 17% and 20%, respectively. Three radiation zeros appear at 2.05 GHz, 4.75GHz and 6.95 GHz. Moreover, the 3.3 dBi peak gain can be obtained over two operating bands.

filter; dual-frequency filting antenna; cross coupling

2017-03-19

国家自然科学基金资助项目(61271160)； 2016年度山西大学创新创业训练计划资助项目(201610108032)

耿彦峰(1977-)， 博士生， 主要从事微波与射频器件的研究.

陈新伟(1978-)， 副教授， 博士， 主要从事微波与射频器件的研究.

1671-7449(2017)04-0318-06

TN828.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.007