采用阶跃阻抗谐振器的紧凑型双频滤波贴片天线外文翻译资料

英语原文共 112 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

采用阶跃阻抗谐振器的紧凑型双频滤波贴片天线

摘要：针对 2.4/5.8-GHz ISM频段应用，开发了一种紧凑型双频三阶切比雪夫滤波贴片天线，在两个频段内具有正交极化。通过将阶跃阻抗谐振器和缝隙耦合馈电技术结合在一起来实现目标。这个结合过程运用了公式法和设计曲线法。通过实验验证了所提出的设计的优点，包括谐波抑制和可控带宽。根据总结表，与公开文献中报道的相比，这种以平面形式实现的双频带滤波天线显示出更紧凑的尺寸或改进的辐射特性。

关键词：双频带，滤波天线，贴片天线，阶跃阻抗谐振器。

1、引言

现代无线系统需要具有多功能操作的高度集成射频前端。在射频前端的组件中，如果天线能够与其他核心元件集成，则负责向/从空间发送/接收信号的天线是非常令人感兴趣的。在过去二十年中，已经对放大/自振荡有源天线，整流天线和滤波天线进行了深入研究。

滤波天线直接集成了天线和射频前端的倒数第二个元件（即滤波器），能够提供紧凑的集成辐射元件、高频选择性，良好的谐波抑制以及可控制的带宽。传统的滤波器合成技术可以应用于通过用辐射器替换滤波器网络的最后一级来合成滤波天线。在[4]中，接入插地耦合线谐振器与单极天线结合，以实现双极紧凑型滤波天线。在[5]中讨论了平坦增益滤波天线，其具有环形谐振器和扇形贴片。

然而，迄今为止报告的大多数滤波天线仅限于单频带操作，这可能是由于难以在多于一个频带中满足所需的滤波器规范。然而，这种趋势显然与多频带操作成为必需的无线系统的发展相矛盾。在[6]中，双频天线和滤波器部分是单独开发的，没有完全集成的过程。[7]中的天线响应没有通过方程证明预测的二阶滤波特性。以三维结构为代价，[8]中的双频带滤波天线具有良好的辐射特性。在[9]中提出了一种使用耦合谐振器和矩形贴片工作在 和模式的平面双频带滤波天线。它在低频段的峰值增益仅为-4 dBi，但是尺寸很大。迄今为止，开发双频带滤波天线仍然是一项具有挑战性的任务。

在本文中，通过直接集成贴片天线和阶跃阻抗谐振器（SIR），研究了双频带三阶切比雪夫滤波天线。天线采用三层印刷电路板（PCB）制造，顶层有贴片辐射器，底部有SIR。它由公共地平面上的空间正交耦合槽馈电。首先介绍了操作原理、合成方程和设计图，然后是验证的实验结果。通过实验验证了该设计的优点，例如高阶模式抑制和两个频带中的带宽可控性。总结了一个比较表，以显示其在尺寸或辐射特性方面的性能改进。

2、工作原理

图1 所提出的双频带滤波贴片天线的几何形状

图1描绘了所提出的双频带滤波天线的布局。天线使用两个堆叠的 0.508mm Roger RO4003 C基板（）在三层PCB上开发。顶层上的贴片不仅用作辐射元件，还用作滤波器的第三级。底层上的第二个SIR分别在低频带和高频带激发贴片的 模式和模式。采用具有空间正交性的缝隙耦合馈电。与[9]中的设计不同，激发两个频带中具有正交偏振的 模式和模式使得整体设计特征更加紧凑。选择耦合槽（）的长度和宽度以在移除滤波器部分时保持良好匹配。工作频率（）分别由贴片的长度（L）和宽度（W）确定，其在相应的谐振频率（模式和模式）处几乎是半波长。

图2 集总三阶带通滤波器及其单端口等效

图2显示了使用集总LC谐振器的典型三阶带通滤波器的等效模型。要将双端口网络转换为滤波天线，应首先使用逆变器 将输出端子转换为电阻负载 。这里，上标（L，H）代表低频段和高频段;本质上是天线的辐射电阻。对于标准贴片，其在 模式和模式下的辐射阻抗可通过[10]估算。

(1)

其中和 分别是非辐射（共振）和辐射边缘。在低频段时，满足 和；在高频段时，满足 和，辐射阻抗为 和。因此，谐振附近的贴片天线可以由并联的 RLC 网络建模，如图2的下部分所示。虽然 是根据（1）式计算出的，但是等效电感和等效电容是通过全波模拟器（HFSS）导出的集总 RLC 模型的阻抗响应曲线拟合图进行提取的。提取的值是,, 和。图3比较了模型计算法和通过全波模拟器得出的天线输入阻抗，在感兴趣的频带上观察到良好的一致性，因此验证了天线建模。

图3 低频段和高频段贴片天线的模型计算和全波模拟输入阻抗

在 SIR 中，为简单起见，将高/低阻抗部分的电长度（）设定为相等。选择阻抗比为 以使 SIR 的前两个谐振模式与贴片的 模式和 模式一致。在低频段对应的是38度。在物理布局中，高/低阻抗线的宽度和长度分别为（0.4mm，8mm）和（1mm，7.5mm）。 SIR 的斜率参数在低频段为，在高频段为。

在确定了贴片天线和 SIR 的电参数之后，可以应用标准滤波器合成技术来完成设计。对于给定的滤波器规格，J逆变器是

(2)

(3)

通过将J逆变器转换为外部品质因数（）和耦合系数（），我们得到了

(4)

(5)

在（5）中，天线的斜率参数是如图2（和）所示。

3、滤波器规格和设计图

表1 外部品质因数（）和耦合系数（）

在本文中，双频带滤波天线是基于具有 0.01 dB通带波纹（）的三阶切比雪夫低通原型开发的。它涵盖了 2.4 / 5.8 GHz ISM频段，相对带宽（FBW）分别为 5％ 和 3％。 所需的外部品质因数（）和耦合系数（）使用（1）-（5）式进行计算并总结在表 I 中。为了满足设计规范，外部品质因数（）和耦合系数（）应该在两个频段中同时等于表中列出的值。为此，首先使用全波模拟器 HFSS 获得相邻级之间的设计图。曲线总结在图4-6中。

图4 外部品质因数Q与间隙宽度（）、 图5 耦合系数（）与间隙宽度（）、

耦合长度（）在低/高频带之间的关系 重叠长度（）在低/高频带之间的关系

图4显示了输入端口和第一个 SIR 之间的分叉部分的外部品质因数（）与间隙宽度（）和耦合长度（）的关系。满足外部品质系数和，间隙宽度（）和耦合长度（）选择 0.15mm 和 10.7mm。 第一级和第二级 SIR 之间的耦合系数（）如图5所示。弯曲 SIR 以适当地馈送缝隙耦合贴片天线。由于需要 和，SIR 之间的间隙宽度（）和重叠长度（）被折中为 0.55mm 和 13.2mm。在低频带中，第二级稍微耦合不足，而在高频带中稍微过度耦合。图6描绘了第二级 SIR 和贴片天线之间的耦合系数（）。通过以 SIR 的中点为基准调整接地平面上耦合缝隙的位置来实现耦合系数的调节。通过设定和，和，可以如图所示实现。

图6 耦合系数（）与耦合缝隙的位置在低/高频带之间的关系

4、实验结果

滤波天线通过三级结构的直接集成来实现。最终尺寸（mm）是 。天线的尺寸，包括地平面，是。为了补偿低频带中的欠耦合的第二级，将具有开路/短路的匹配网络添加到输入端口（图1）。在低频带的匹配中，微带线的输入阻抗（）是电感性的，但是在高频带中变为无限（o.c.）以避免干扰已经匹配的天线系统。微带线的尺寸是,, 以及。匹配部分的工作原理和设计方程直截了当; 为简洁起见，省略了它们。

图7 （a）（b）双频带滤波天线的峰值增益（显示没有SIR的模拟用于比较）

制造滤波天线并进行实验验证。模拟和测量的输入反射系数（）如图7（a）所示; 为了进行比较，给出了在不使用 SIR 的情况下输入反射系数（）的仿真结果。制作的样品照片显示为插图。模拟和测量的结果非常一致。显然，成功抑制了独立贴片天线的高阶模式。三阶滤波天线在两个频带中也显示出明显的频率选择性。可以容易地观察带内反射极，从而验证了设计过程。测得在输入回波损耗 时，相对带宽（dB）分别为 4.5％ 和 3.8％。

模拟和测量的峰值增益总结在图7（b）中。观察到合理的结果。使用 Nearfield 系列公司的 NSI 700S-90 球形近场扫描仪在消声室中测量增益和辐射方向图。在 2.45GHz 和 5.8GHz 处的峰值增益分别为 -1.8dBi 和 1.1dBi。由于背景杂波的散射，阻带中测量的增益水平高于模拟中的增益水平。然而，除了在 3.1 GHz 的寄生谐振外，峰值增益在所关注的频带上保持低于 -10dBi。寄生谐振可能是 SIR 的寄生单极模式和底层匹配网络的结果。在模拟中，来自该寄生谐振的辐射泄漏低于 -20dBi 并且变得可以忽略不计。然而，在测量中，由于测试电缆较长，有效的不平衡电流路径被延长，使得其峰值增益被提升至 -9dBi。增加缺陷的地面结构可能是进一步减轻寄生辐射的一种方法。

图8 （a）低频带（b）高频带中xz和yz平面的模拟和测量辐射图

图8的（a）和（b）比较了主平面中的模拟和测量辐射图。像传统的贴片一样，两个波段的辐射都很宽。低（）和高（）频带中的共极化电场彼此正交。实际上，这并不是致命的问题，因为 ISM 频带中的发射-接收天线对几乎不能保持完美对准。

表2 双带滤波天线的性能总结

您可能感兴趣的文章

• 拟人手臂的轨迹规划与轨迹跟踪控制外文翻译资料
• 新型磁性辅助内窥镜系统在上消化道检查中应用的可行性 和安全性外文翻译资料
• 基于FPGA可编程逻辑器件的复合视频图像处理外文翻译资料
• 从被测的高频域原始信号中提取巴克豪森噪声外文翻译资料
• 重型机床z轴热误差混合建模方法外文翻译资料
• 一个红外浊度传感器:设计与应用外文翻译资料
• 用于控制食物烹饪过程的电子系统.外文翻译资料
• 关于液体介质中电磁流量计的设计和理论上存在的问题。第二部分:关于带电粒子产生的 噪声理论外文翻译资料
• 基于LabVIEW和Matlab的小波变换对非平稳信号的分析仿真外文翻译资料
• 应用于腹腔镜手术的新型膜式加热加湿器 的开发外文翻译资料