紧凑型滤波天线在通带内具有平坦增益响应外文翻译资料

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紧凑型滤波天线在通带内具有平坦增益响应

摘要：为本文中的现代无线通信系统设计了紧凑型滤波天线。首先，设计了两极Butterworth带通滤波器。然后，通过用具有缺陷接地结构（DGS）的扇形贴片天线（传统天线）代替第二端口和谐振器，形成滤波天线。与传统天线相比，滤波天线在通带内获得更平坦的增益响应，在通带边缘的良好选择性，以及更宽的带宽。测量结果表明，滤波天线可以在2.4GHz的环境下工作，在通带内具有460 MHz带宽和2.3 dBi峰值增益。此外，辐射零点出现在3GHz。

索引词 - 交叉极化，缺陷接地结构（DGS），扇形贴片天线，滤波天线，平坦增益。

1. 介绍

随着无线通信技术的快速发展，当今的焦点问题之一是将多个功能电路集成到一个设备中。带通滤波器和天线在RF前端的大部分中是两个独立的部件。天线用于接收和发射信号，并且带通滤波器紧接在天线之后级联，用于对寄生信号进行滤波。这两个组件分别设计并通过50传输线连接。该传输线不仅降低系统的性能，而且占用了额外的电路面积。最近，许多学者开始研究带通滤波器和天线的共同设计方法[1] - [5]。在[1]中，为了最小化电路尺寸，将预先设计的带通滤波器嵌入在贴片天线的馈线中。在[2]中，滤波器和天线被堆叠，使得它们共享相同的接地平面。通过优化滤波器和天线接口处的阻抗，阻抗带宽得到改善。滤波天线，其设计遵循带通滤波器的合成过程，已在[3] - [5]中提出。在这些设计中，最后的谐振器和带通滤波器的负载阻抗被替换为Г形天线和矩形贴片天线，其尺寸为半波长的量级。

（稿件日期：2013年5月29日; 接受日期2013年6月27日。出版日期2013年7月03日;当前版本的日期2013年7月25日。这项工作得到中国国家科学基金会拨款61271160和61172045的支持，高等教育博士课程研究基金J1210036，高等教育博士课程研究基金20121401110009，和中国山西省奖学金委员会2012-014一同授予。

作者是山西大学物理与电子学院的，山西030006（电子邮件：zhangwm@sxu.edu.cn）。

本信中一个或多个数字的颜色版本可在以下网址获得：http：//ieeexplore.ieee.org

数字对象标识符10.1109 / LAWP.2013.2271972）

图1. 设计的双极带通滤波器

在这封信中，提出了一种紧凑的两极滤波天线。首先，设计了两极Butterworth带通滤波器。然后，用具有DGS的扇形贴片天线代替滤波器的第二端口和第二谐振器，并形成滤波天线。具有DGS的扇形贴片天线作为辐射器以及滤波器的第二谐振器。通过采用有缺陷的接地结构，滤波天线的尺寸被最小化。此外，滤波天线在通带内获得更平坦的增益响应，在通带边缘具有良好的选择性。测量结果与模拟结果一致。

1. 滤波器的设计

在提出集成滤波天线之前，设计了双极巴特沃斯带通滤波器（如图1所示）。它包括两个谐振器（谐振器2和1）和两个端口（端口1和2）。谐振器2和1是全波长圆形开环谐振器。滤波器工作在2.4 GHz，分数带宽（FBW）为18％。 它是使用标准滤波器合成技术设计的[6]。谐振器之间的耦合系数和谐振器在输入和输出端口的外部质量因子是M₁₂ = 0.127和Q_ei = Q_e0 = 7.85。 所使用的基底是厚度为1.52mm的FR4（ε= 4.4，tandelta;= 0.02）

为了获得外部品质因数和耦合系数的设计参数，Ansoft HFSS用于模拟过滤器。图2（a）和（b）示出了外部品质因数对间隙s₁和耦合系数对间隙s2的关系。这里，r₁=15.8mm，r₂=14.4mm，omega;₁=3mm，iota;₁=4mm，omega;₂=omega;₃=1mm，omega;₄=0.5mm，alpha;=40°，beta;=70°。可以看出，较大的s₁将导致较大的外部品质因数，较小的s₂将导致较大的耦合系数。最后，s₁=0.25mm,s₂=0.4mm是根据规格选择的。图3绘制了模拟S参数的曲线。在2.4GHz的中心频率处，模拟的3-dB带宽是从2.18到2.6GHz。插入损耗小于2.5 dB。此外，两个传输零点出现在1.42和2.96 GHz之间，其由直接在输入和输出之间的耦合以及通过谐振器的耦合引起。可以通过改变馈线的间隙和长度来调整传输零点的位置。

图2. （a）外部品质因数与s₁的差距（b）耦合系数与s₂的间隙

图3. 所提出的两极带通滤波器的模拟S参数

1. 天线设计

为了获得滤波天线，设计了半径为r₄的扇形贴片天线。r₄被限制为等于滤波器的谐振器2的半径r₂，也就是说，r₄=r₂。蚀刻与扇形补片同心的圆形DGS以使图1中的补片尺寸最小化，图4（b）。设计的天线如图4（a）和（b）所示。它的尺寸是r₃=15.15mm，r₄=r₂=14.4mm，r₅=13mm，alpha;=40°，s₁=0.25mm，omega;₁=3mm，omega;₂=0.5mm，iota;₁=4mm，iota;_g1=47mm，omega;_g1=35mm。根据[7]和[8]，扇形贴片天线可以通过并联电感，电容和电阻建模，DGS产生额外的有效电感和电容。因此，所提出的具有DGS的扇形贴片天线由并联L_AC_AR_A电路建模，并且等效电路的端口特性与电磁（EM）仿真结果一致。因此，其等效电路模型如图4（c）所示。提取的参数为L_A=0.4235nH,C_A=10.47pF,R_A=50Omega;，J_A=21mS。导纳逆变器J_A，表示馈线和补片之间的耦合。模拟|S₁₁| 从EM结构和等效电路如图5所示。可以看出，EM结构和等效电路在2.4GHz处谐振并且具有相同的带宽（从2.3到2.5GHz）。此外，在r₄保持恒定的情况下研究DGS对天线性能的影响。图6示出|S₁₁| 为不同的r₅。可以看出，随着r₅的增加，谐振频率从3.34下降到2.4 GHz，相对带宽从2.9％扩大到8.3％。

图4. 具有DGS的扇形贴片天线的结构：（a）顶层，（b）底层，（c）天线的等效电路

1. 滤波天线的合成

用带有DGS的扇形贴片天线（图4）代替带通滤波器（图1）的谐振器2和端口2，形成滤波天线。图7示出了所提出的滤波天线的顶层结构; 其底层与图4（b）相同。几何参数为r₁=15.8mm，r₂=14.4mm，r₅=13mm，s₁=0.25mm，s₂=0.4mm，omega;₁=3mm，omega;₂=1mm，omega;₄=0mm，alpha;=40°。图8示出滤波天线的等效电路。圆形开环谐振器对应于并联L₁C₁电路。具有DGS的扇形贴片天线对应于并联L_AC_AR_A电路。J₀₁表示输入端口和谐振器之间的耦合。J表示谐振器和天线之间的耦合。电路参数可以根据[6]计算，即Z₀=50Omega;，L₁=L_A=0.4235nH，C₁=C_A=10.47pF，R_A=50Omega;，J₀₁=19mS，J=26.8mS。此外，天线质量因子Q_A和谐振频率f_A可以通过下式计算：

图5. EM结构和等效电路模型的|S₁₁|

图6. |S11| 为不同的r₅

图7. 拟议的滤波天线

图8. 所提出的滤波天线的等效电路

图9. EM结构和等效电路模型的|S11|

图10. |S11|和天线和滤波天线的增益

根据（1）和（2），可以计算Q_A = 7.86和f_Aasymp;2.4GHz。因此，扇形贴片天线的谐振频率等于滤波器的谐振频率。同时，天线质量因子QA近似等于滤波器的外部品质因数。|S11|从EM结构模拟并由等效电路计算如图9所示。可以看出，在2.26和2.54GHz处有两个传输极点，并且获得了模拟和计算结果之间的基本一致性。

这里，比较滤波天线和扇形贴片天线的性能。|S11|天线和滤波天线的增益如图10所示。 可以看出，扇形贴片天线具有200MHz（从2.3到2.5GHz）的带宽和0.5dBi的峰值增益，而滤波天线的对应值是440MHz（从2.18到2.62GHz）和2.3 dBi。与扇形贴片天线相比，滤波天线的带宽加倍，增益变得更高和更平坦。 此外，辐射零点出现在2.9 GHz，这改善了通带边缘的增益性能。

图11. 提出的滤波天线的照片 （a）顶视图 （b）底视图

图12. 模拟和测量|S11|和滤波天线的增益

1. 模拟和测量结果

滤波天线制造在1.52mm厚的基片FR4（ε_r= 4.4，tandelta;= 0.02）上，其照片如图11所示。其包括地的尺寸为35times;47mm，等于0.28lambda;₀times;0.37lambda;₀。其中，顶部贴片的尺寸为31.6times;37.5mm，等于0.25lambda;₀times;0.3lambda;₀（lambda;₀为2.4GHz下的自由空间波长）。N5230A矢量网络分析仪（Agilent公司）和天线训练和测量系统8092（Lab-Volt公司）用于测量滤波天线。通过使用增益比较方法获得测量增益。结果示于图12和图13。图12示出了所提出的滤波天线的模拟和测量的反射系数和增益。结果表明，所提出的滤波天线对于|S11| lt;-10dB具有从2.2到2.66GHz的带宽，并且具有2.3dBi的峰值增益。此外，由于使用了巴特沃斯响应设计，它在通带内具有平坦响应。测量的辐射零点出现在3 GHz（模拟辐射零点出现在2.9 GHz），这提高了滤波天线在通带边缘的增益性能。频移是由线间距的制造误差和FR4的电常数偏差引起的。

图13示出了在2.4GHz下theta;= 0°的平面切割的测量的辐射图案。可以看出，在H平面中获得了良好的全向辐射。在所有感兴趣的通带的所有方向上，交叉极化辐射电平低于-20dB。

最后，我们将提出的滤波天线与参考文献中的天线进行比较。 结果示于表1中。它表明所提出的滤波天线具有比在相同频带中操作的天线具有更小的尺寸和更高的增益。

图13. 2.4 GHz的测量辐射方向图

1. 结论

在这封信中，设计了一个紧凑的两极滤波天线。它由微带圆形开环谐振器和带DGS的扇形贴片天线组成。由于扇形贴片天线作为辐射器以及滤波器的第二谐振器，所以所提出的滤波天线可以同时获得滤波器和天线的性能。所提出的滤波天线在通带内具有平坦响应，峰值增益为2.3 dBi，辐射零点为3

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