具有辐射零点的高性能WiMAX频段微带滤波天线设计

张 璐,朱田伟

（南京航空航天大学 电子信息工程学院，南京，211106）

具有辐射零点的高性能WiMAX频段微带滤波天线设计

张 璐,朱田伟

（南京航空航天大学 电子信息工程学院，南京，211106）

本文基于滤波器综合方法，设计了一款工作在WiMAX频段的的高性能微带滤波天线。通过在谐振器之间引入电磁混合耦合，使得滤波天线的增益曲线在高频带出现了辐射零点，从而使得滤波天线具有良好的带外抑制特性。

电磁混合耦合；辐射零点；滤波天线

0 引言

近年来，利用滤波器综合方法设计滤波天线的思想越来越受到人们的关注[1]-[10]。在设计过程中，天线等效成串联或并联的RLC电路，在起辐射作用的同时，也充当滤波器最后一级谐振器和负载。这种天线和滤波器一体化设计方法可以减小系统的尺寸、重量和损耗，而且滤波天线的回波损耗、增益曲线分别与滤波器的回波损耗、插入损耗曲线类似。综合设计的方法不仅提高了设计的成功率，还可以事先预定天线的带外抑制能力，而且通带内增益曲线更加平坦。

文献[1]和[2]分别用SIW设计了平面的三阶和四阶滤波天线，文献 [3-5]则用SIW实现了多层的滤波天线，文献[6-9]利用微带结构设计了多种多样的滤波天线，都得到了比较好的性能。但这些滤波天线中的拓扑均采用直线拓扑，并不能产生辐射零点，因而得到的滤波天线的增益曲线通带边缘不够陡峭，选择性能不够理想。文献[10]在文献[6]的基础上对馈电方式做了改进，使整个结构完全对称，导致在特定频点上，辐射源相位相差180°，从而在通带两边分别产生一个辐射零点。大大提高了滤波天线的选择性。但文献[10]的方法受结构限制，方法不够通用。

本文从滤波器的角度出发，同样在直线拓扑的情况下，通过在谐振器之间引入混合电磁耦合，使滤波天线在上通带边缘产生辐射零点，提高了滤波天线带外抑制能力。

1 滤波器的综合

先设计一个2阶的带通滤波器，中心频率为3.6GHz，15dB带宽为400MHz，回波损耗15dB，含有一个传输零点，为5080 MHz，所选用介质板相对介电常数为2.56，厚度为0.775mm,损耗角正切为0.0009。

混合电磁耦合产生传输零点的机理可以用滤波器模型来解释。信号从谐振器1的左边出发经历了电和磁两条耦合路径后在谐振器2的右边重新叠加，这两条耦合路径的相差使叠加后的信号在某些频率为零，因此一对混合电磁耦合的谐振器对可以产生一个传输零点。

根据文献[11-12]中所述的方法，基于梯度优化法得到了混合耦合滤波器的归一化耦合矩阵。

其中ω为低通域的频率变量，图1给出了滤波器的结构示意图，这里使用Ansoft公司的HFSS软件进行仿真优化，最终确定滤波器的结构尺寸为：W=24mm，L=20.9mm W0=2.12mm，W1=0.3mm，W2=0.6mm L0=10mm，L1=12.4mm，L2=9.9mm，L3=5.2mm，g1=0.2mm，g2=0.1mm。

图 1滤波器的结构图

两个谐振器的开口方向相同，使得谐振器之间的电耦合和磁耦合呈现减法效应，这种结构实现的窄带滤波器的谐振器的间距可以很小。耦合长度L2小于四分之一波长，所以耦合以电耦合为主，传输零点出现在通带上方，通过调节耦合长度L2即可调整传输零点的位置[12]。

图2 滤波器的频率响应

图2为滤波器的仿真结果，可以看出滤波器的仿真结果与理论结果基本吻合。

3 滤波天线的设计

针对滤波器的结构，本文采用倒L天线，首先设计天线的尺寸，使其在3.6GHz频率上谐振，并进行微带线的宽带调节，使其满足滤波器的外部Q值，然后将滤波器的端口2去掉，用天线取代第二个谐振器，并适当优化。

图3 滤波天线的结构图

最后得到滤波天线的结构尺寸为：W=24mm，L=20.9mm，W0=2.12mm，W1=0.3mm，W2=0.6mm，W3=1mm， L0=10mm，L1=13.3mm，L2=9.9mm，L3=5.2mm，L4=12.8mm， g1=0.25mm，g2=0.1mm。

图 4滤波天线的回波损耗和天线增益与滤波器频率响应的对比

从图4中可以看到，滤波天线的回波损耗曲线与滤波器的回波损耗曲线类似，天线的增益与滤波器的S21曲线类似，带内增益2dB，比较平坦，并且在4.5GHz附近产生了辐射零点，提高了滤波天线的选择性，同时由于接地面被大面积破坏，使得电磁混合耦合中电耦合占优的程度被削弱，使得滤波器的传输零点5.08GHz相比相左偏移了580MHz。

图5给出了滤波天线的EH面非归一化增益曲线。

4 结论

本文通过在谐振器之间引入混合电磁耦合的方法设计了一款两阶WiMAX频段滤波天线，滤波天线的增益曲线在高频带出现了一个辐射零点，增强了天线的带外抑制特性。

图 5滤波天线的EH面天线增益

[1]Yazid Yusur.Integration of 3D high-Q filters with monopole antennas,Microwave and Optical Technology Letters,vol.56,no.4,April 2014.

[2]Yazid Yusur.Compact Low-Loss Integration of High-Q 3-D Filters With Highly Efficient Antennas,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.59,no.4,April 2011.

[3]Yazid Yusur.A Seamless Integration of 3-D Vertical Filters with Highly Efficient Slot Antennas,IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.59,no.11,November 2011.

[4]Yazid Yusur.Co-designed substrate-integrated waveguide filters with patch antennas,IET Mic rowaves,Antennas&Propagation,2013,vol.7,Iss.7, pp.493-501.

[5]Yazid Yusur.A Vertical Integration of High-Q Filters with Patch Antennas with Enhanced Bandwith and High Efficiency,Microwave Symposium Digest (MTT),2011 IEEE MTT-S International 2011,pp.1-4

[6]Chin-Kai Lin and Shyh-Jong Chung.A Compact Edge-Fed Filtering Microstrip Antennawith 0.2 dB Equal-Ripple Response，Proceedings of the 39th European Microwave Conference,2009,pp.378-380

[7]Ghaith Mansour.Design of Filtering Microstrip Antenna UsingFilter Synthesis Approach,Vol.145, 59-67,2014.

[8]Wei-Jun Wu.A New Compact Filter-Antenna for Modern WirelessCommunication Systems,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2011,pp.1131-1134.

[9]Weijun Wu.Design of A Compact Filter-Antenna using DGSStructure for Modern Wireless Communication Systems,Microwave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications (MAPE), 2013 IEEE 5th International Symposium on 2013, pp.355-358.

[10]Chin-Kai Lin.A Compact Filtering Microstrip Antenna WithQuasi-Elliptic Broadside Antenna Gain Response,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.10,2011.

[11]Smain Amari.Synthesis of Cross-Coupled Resonator FiltersUsing an Analytical Gradient-BasedOptimization Technique,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.48,no.9,September 2000.

[12]王欢.可控混合电磁耦合滤波器理论与实现.华南理工大学博士学位论文，2010.

Design of High-performance Filtering Microstrip Antennawith Radiation Zero

Zhang Lu，Zhu Tianwei
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing,210016）

In this paper, filter synthesis approach is used to design a high-performance microstrip antenna working in WiMAX frequency. By introducing the mixed electrically and magnetically coupling between two resonators,a radiation zero is produced to improve thefrequency skirtselectivity of microstrip antenna.

Mixed coupledfilter;Radiation Zero;Filtering Antenna

TN822 文献标码：A

张璐（1986-），女，江西吉安人，南京航空航天大学电子信息工程学院教学秘书，研究实习员，研究方向为高等教育管理研究、微波电路与子系统；

本文获得“中央高校基本科研业务费专项资金”资助，获得“南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金”资助(基金号：kfjj20150408)

朱田伟（1989-），男，江苏泰州市，南京航空航天大学电子信息工程学院研究生在读，研究方向为：微波电路与子系统。