JA Journal of Antennas 2325-2227 Scientific Research Publishing 10.12677/JA.2020.94005 JA-41602 JA20200400000_46640878.pdf 信息通讯 一种结构简单的滤波短路贴片天线 A Simple Filtering Shorted-Patch Antenna 向 磊 2 1 李 梦洁 2 1 肖 如奇 2 1 黄 奕 3 1 杨 国 2 1 齐 世山 2 1 陆军装备部驻南京地区第四军事代表室，江苏 南京 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 null 16 04 2021 09 04 43 50 © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 2014 This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

微带天线广泛应用于军事和民用领域，将滤波功能集成到该类天线中，实现带外信号抑制的同时可有效减小射频前端的总体尺寸。本文在微带贴片天线的基础上，设计了一种结构简单的滤波短路贴片天线。该天线由一个刻有J形缝隙的短路辐射贴片和一个短路寄生贴片组成。J形缝隙与寄生贴片分别在低/高频带引入辐射零点，以实现天线的滤波响应。测试结果表明，该天线的阻抗带宽3.7% (4.76~4.94 GHz)，带内增益约5.0 dBi，E面半功率波束宽度约100˚，带外辐射抑制大于12.6 dB。 Microstrip antennas are widely used in military and civilian fields, the filtering function is inte-grated into this type of antenna, which can achieve out-of-band signal suppression and effectively reduce the overall size of the RF front-end. In this paper, a simple filtering shorted-patch antenna based on the microstrip patch antenna is designed. The antenna consists of a shorted driven patch with J-shaped slots and a shorted parasitic patch. Filtering response is obtained because of the ra-diation nulls introduced by J-shaped slots and the parasitic patch. Measured results show that the impedance bandwidth of the antenna is 3.7% (4.76~4.94 GHz), the in-band gain is about 5.0 dBi, and the E-plane half-power beamwidth is about 100˚, the out-of-band radiation suppression is more than 12.6 dB.

滤波天线，短路贴片天线，辐射零点，微带天线，寄生贴片, Filtering Antenna Shorted-Patch Antenna Radiation Null Microstrip Antenna Parasitic Patch 摘要

微带天线广泛应用于军事和民用领域，将滤波功能集成到该类天线中，实现带外信号抑制的同时可有效减小射频前端的总体尺寸。本文在微带贴片天线的基础上，设计了一种结构简单的滤波短路贴片天线。该天线由一个刻有J形缝隙的短路辐射贴片和一个短路寄生贴片组成。J形缝隙与寄生贴片分别在低/高频带引入辐射零点，以实现天线的滤波响应。测试结果表明，该天线的阻抗带宽3.7% (4.76~4.94 GHz)，带内增益约5.0 dBi，E面半功率波束宽度约100˚，带外辐射抑制大于12.6 dB。

 关键词

滤波天线，短路贴片天线，辐射零点，微带天线，寄生贴片

 A Simple Filtering Shorted-Patch Antenna

Lei Xiang1, Mengjie Li1*, Ruqi Xiao1,Yi Huang2, Guo Yang1, Shishan Qi1

1School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing Jiangsu

2Representative Office in Nanjing District of PLA Army Equipment Department, Nanjing Jiangsu

Received: Mar. 6th, 2021; accepted: Apr. 6th, 2021; published: Apr. 16th, 2021

 ABSTRACT

Microstrip antennas are widely used in military and civilian fields, the filtering function is integrated into this type of antenna, which can achieve out-of-band signal suppression and effectively reduce the overall size of the RF front-end. In this paper, a simple filtering shorted-patch antenna based on the microstrip patch antenna is designed. The antenna consists of a shorted driven patch with J-shaped slots and a shorted parasitic patch. Filtering response is obtained because of the radiation nulls introduced by J-shaped slots and the parasitic patch. Measured results show that the impedance bandwidth of the antenna is 3.7% (4.76~4.94 GHz), the in-band gain is about 5.0 dBi, and the E-plane half-power beamwidth is about 100˚, the out-of-band radiation suppression is more than 12.6 dB.

Keywords:Filtering Antenna, Shorted-Patch Antenna, Radiation Null, Microstrip Antenna, Parasitic Patch

Copyright © 2020 by author(s) and beplay安卓登录

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

 1. 引言

天线和滤波器是射频前端的两个关键部件，将滤波功能集成到天线中得到结构紧凑的滤波天线，可以有效减少射频前端的整体尺寸 [ 1 ] [ 2 ]。微带贴片天线因其低剖面、小尺寸、易加工等特点，在航天器、卫星和导弹以及无线通信等领域有着广泛的应用 [ 3 ]。故将滤波功能集成到微带贴片天线中吸引了许多学者的研究兴趣 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]。

目前滤波天线的设计方法主要有三种。第一种是将滤波器的最后一级谐振器替代为天线辐射体 [ 8 ] [ 9 ]。第二种是将滤波电路集成到天线的馈电网络中 [ 10 ] [ 11 ]。但是上述两种方法滤波电路占据了较大的尺寸，同时引入了额外的损耗。第三种是引入简单寄生结构，产生带外辐射零点 [ 12 ] [ 13 ]，这种方法避免了滤波电路带来的损耗。如文献 [ 12 ] 在常规微带天线上引入U形缝隙、短路过孔、以及层叠贴片产生带外辐射零点，设计了一款高增益滤波贴片天线。文献 [ 13 ] 在辐射贴片上添加共生贴片以及周围添加寄生贴片，设计了一款宽带微带滤波天线。但在这些滤波贴片天线中，寄生结构增大了原始天线的尺寸，且结构较为复杂。

本文基于常规的微带贴片天线，设计了一种新型的结构简单的滤波短路贴片天线。该天线具有良好的带内辐射性能，在带外存在两个辐射零点，带外辐射抑制大于12.6 dB。

 2. 短路贴片天线 2.1. 天线结构

如图1所示，短路贴片天线在常规微带贴片天线的基础上演化而来，其中由探针直接激励的贴片为

图1. (a) 常规微带贴片天线；(b) 短路贴片天线

辐射贴片，右贴片为寄生贴片 [ 14 ]。辐射贴片的左边缘与寄生贴片的右边缘存在一系列的金属化过孔，起短路作用。为了降低H面的交叉极化，贴片横向边缘增加了4个额外的金属化短路过孔 [ 15 ]。

 2.2. 辐射特性

利用高频电磁仿真软件HFSS做仿真设计，常规微带贴片天线与短路贴片天线仿真的反射系数和增益曲线如图2所示。可知，短路贴片天线的阻抗带宽为2.2% (4.87~4.98 GHz, S11 < −10 dB)，略小于常规微带贴片天线的3.4%。但常规微带贴片天线的增益在通带外下降缓慢，没有明显的滤波响应，而短路贴片天线在5.36 GHz处存在一个辐射零点，使得高频带的辐射抑制增强。

图2. 常规微带贴片天线与短路贴片天线的反射系数及增益曲线

为了进一步分析短路贴片天线高频带辐射零点的产生机理，图3给出了其在谐振频率4.92 GHz和辐射零点频率5.36 GHz的表面电流矢量分布。在谐振频率4.92 GHz，辐射贴片与寄生贴片上的主要电流方向一致，故表现出良好的辐射特性。而在5.36 GHz，辐射贴片与寄生贴片上的电流方向则相反，导致远场辐射相消，即表现在天线增益曲线上出现一个辐射零点。

图3. 短路贴片天线的表面电流分布。(a) 4.92 GHz；(b) 5.36 GHz

 2.3. 参数研究

为了研究寄生贴片的宽度W2对高频带辐射零点的影响，对其进行参数扫描，仿真结果如图4所示。当宽度W2增加时，短路贴片天线的谐振频率向低频移动，同时辐射零点亦向低频移动。与之类似，改变辐射贴片的长度L1与寄生贴片的长度L2，可以控制辐射零点的位置，如图5所示。其中为了辐射贴片与寄生贴片更好的耦合，L1与L2保持相等。上述参数扫描的结果表明，选择合适的尺寸参数，可以获得理想的辐射零点位置及带外辐射抑制水平。

图4. 短路贴片天线对参数W2扫描的仿真结果

图5. 短路贴片天线对参数L1 (L2)扫描的仿真结果

 3. 滤波短路贴片天线 3.1. 天线结构

尽管短路贴片天线在高频带具有强烈的带外辐射抑制，但其增益曲线在低频带仍然下降缓慢，故需要进一步的滤波设计以增强它的滤波响应。为了在低频带引入辐射零点，一对对称的J形缝隙被蚀刻到辐射贴片中，如图6(a)所示。其中为了最大化保持天线原有的表面电场分布，J形缝隙的宽度选择为0.3 mm。选择弯折的J形缝隙，而不是通常笔直的缝隙，更多是受制于有限的贴片尺寸。

 3.2. 辐射特性

图6(b)给出了短路贴片天线加入J形缝隙后仿真的反射系数与增益曲线，可知J形缝隙不仅保留了短路贴片天线原有的高频带辐射零点，同时还在低频带引入了一个新的辐射零点，有效的增强了短路贴片天线在低频带的辐射抑制。此外，J形缝隙还在通带内引入了新的谐振模式，这使得短路贴片天线的带宽增加，频率选择性提高。仿真结果表明，滤波短路贴片天线的阻抗带宽为3.7% (4.75~4.93 GHz)，两个带内谐振点分别位于4.8 GHz以及4.9 GHz，通带内增益变化平坦，约为5.7 dBi。通带外两个辐射零点分别位于低频带4.44 GHz和高频带5.04 GHz处。

图6. (a) 滤波短路贴片天线；(b) 反射系数及增益曲线

为了说明低频带辐射零点的产生机理，图7给出了滤波短路贴片天线在谐振频率4.8 GHz和辐射零点频率4.44 GHz的表面电流矢量分布。如图7(a)所示，在谐振频率4.8 GHz处，J形缝隙的外侧电流方向与缝隙之间的电流方向一致，且与寄生贴片上的电流方向相同。这表明对称J形缝隙的引入，较好的保留了短路贴片天线原有的带内辐射特性。而在辐射零点频率4.44 GHz处，由图7(b)可知，J形缝隙一方面抑制了辐射贴片对寄生贴片的耦合作用，使得寄生贴片上的表面电流幅度较低，未能形成有效的远场辐射；另一方面在辐射贴片上导致缝隙两侧的电流方向与缝隙之间的电流方向相反，使得远场辐射相消；故最终在天线增益曲线上出现一个辐射零点。

图7. 滤波短路贴片天线的表面电流分布。(a) 4.8 GHz；(b) 4.44 GHz

 3.3. 参数研究

为了进一步研究J形缝隙的作用，改变J形缝隙的长度参数L5、以及缝隙间距参数D，扫描仿真，增益变化曲线如图8所示。如图8(a)，当J形缝隙的长度参数L5增大时，低频带辐射零点向低频移动；而与之相反的是，当J形缝隙彼此间的间距参数D增大时，低频带辐射零点向高频移动，如图8(b)。值得注意的是，无论是改变J形缝隙的长度参数L5，抑或是间距参数D，高频带辐射零点的位置并不改变，这充分表明低频带辐射零点主要是由引入的J形缝隙产生。J形缝隙对低频带辐射零点的多参数独立调控，使得整个滤波天线的设计具有一定的灵活性。

图8. 滤波短路贴片天线仿真的参数扫描结果。(a) L5；(b) D

 4. 实物加工及测试结果

最终，滤波短路贴片天线的具体尺寸参数如表1所示。该天线整体尺寸为44.6 × 44.6 × 1.524 mm，设计在介电常数3.55的Rogers RO4003介质基板上。图9为该滤波天线加工后的实物图。

Dimensions of the filtering shorted-patch antenn
参数 L1 L2 L3 L4 L5 W1 W2
数值(mm) 24.6 24.6 8.6 2.4 4.0 12.0 11.6
参数 gap D D1 S1 S2 d GL/GW
数值(mm) 1.0 5.2 7.5 4.0 1.6 0.6 10.0

表1. 滤波短路贴片天线的尺寸参数

图9. 滤波短路贴片天线实物图。(a) 顶部视图；(b) 底部视图

图10给出了滤波短路贴片天线测试与仿真的反射系数及增益曲线。测试结果表明，该天线的阻抗带宽为3.7% (4.76~4.94 GHz)，在谐振频率4.8 GHz、4.92 GHz处的增益分别为5.0 dBi与4.7 dBi，测试的带内增益较仿真结果略有偏低，可能是加工、焊接、测试误差导致。低频带4.48 GHz处与高频带5.06 GHz处的两个辐射零点使得该天线具有良好的带外辐射抑制。由图10(b)可知，在低频带4.2~4.64 GHz频段，测试的带外增益低于−7.6 dBi；在高频带5.02~5.4 GHz频段，测试的带外增益低于−10.0 dBi。

图10. 滤波短路贴片天线的仿真与测试结果。(a) 反射系数；(b) 增益

图11给出了滤波短路贴片天线在4.8 GHz测试与仿真的辐射方向图。测试结果表明，该天线E/H面的半功率波束宽度为99.8˚/73.5˚，在对应的波束范围内，交叉极化抑制大于17 dB。

图11. 在4.8 GHz仿真和测试的方向图

 5. 小结

本文设计了一种新型的结构简单的滤波短路贴片天线。没有额外的滤波电路，利用J形缝隙与寄生短路贴片在通带外引入辐射零点，滤波功能被有效的集成到微带贴片天线中。测试结果与仿真结果具有良好的一致性，该天线的阻抗带宽为3.7%，带内平均增益约5 dBi，带外辐射抑制大于12.6 dB。

 基金项目

国家自然科学基金61771242。

 文章引用

向 磊,李梦洁,肖如奇,黄 奕,杨 国,齐世山. 一种结构简单的滤波短路贴片天线A Simple Filtering Shorted-Patch Antenna[J]. 天线学报, 2020, 09(04): 43-50. https://doi.org/10.12677/JA.2020.94005

 参考文献 References Cao, Y.F., Zhang, Y. and Zhang, X.Y. (2020) Filtering Antennas: From Innovative Concepts to Industrial Applications. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21, 116-127.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900474 曹云飞, 杨圣杰, 章秀银. 面向5G移动通信的滤波天线及阵列[J]. 中国科学基金, 2020, 34(2): 154-162. Balanis, C.A. (2016) Antenna Theory: Analysis and Design. 5th Edi-tion, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 783-784. Jin, J.Y., Liao, S.W. and Xue, Q. (2018) Design of Filter-ing-Radiating Patch Antennas with Tunable Radiation Nulls for High Selectivity. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 66, 2125-2130.
https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2804661 Qian, J.F., Chen, F.C., Chu, Q.X., et al. (2018) A Novel Electric and Magnetic Gap-Coupled Broadband Patch Antenna with Improved Selectivity and Its Application in MIMO System. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 66, 5625-5629.
https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2860129 Hu, P.F., Pan, Y.M., Zhang, X.Y., et al. (2019) A Filtering Patch Antenna with Reconfigurable Frequency and Bandwidth Using F-Shaped Probe. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 67, 121-130.
https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2877301 Yang, W.C., Zhang, Y.Q., Che, W.Q., et al. (2019) A Simple, Compact Filtering Patch Antenna Based on Mode Analysis With Wide Out-of-Band Suppression. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 67, 6244-6253.
https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2922770 Lin, C.-K. and Chung, S.-J. (2011) A Filtering Microstrip Anten-na Array. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 59, 2856-2863.
https://doi.org/10.1109/TMTT.2011.2160986 Wu, W.J., Yin, Y.Z., Zuo, S.L., et al. (2011) A New Compact Filter-Antenna for Modern Wireless Communication Systems. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 10, 1131-1134.
https://doi.org/10.1109/LAWP.2011.2171469 Zhang, Y., Zhang, X.Y. and Pan, Y.M. (2018) Low-Profile Planar Filtering Dipole Antenna with Omnidirectional Radiation Pattern. IEEE Transactions on Antennas and Propaga-tion, 66, 1124-1132.
https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2790169 Hu, P.F, Pan, Y.M., Zhang, X.Y. and Hu, B.J. (2019) A Compact Quasi-Isotropic Dielectric Resonator Antenna With Filtering Response. IEEE Transactions on Antennas and Propaga-tion, 67, 1294-1299.
https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2883611 Zhang, X.Y., Duan, W. and Pan, Y.M. (2015) High-Gain Filter-ing Patch Antenna without Extra Circuit. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 63, 5883-5888.
https://doi.org/10.1109/TAP.2015.2481484 Yang, D., Zhai, H.Q., Guo, C.Z. and Li, H.K. (2020) A Compact Single-Layer Wideband Microstrip Antenna With Filtering Performance. IEEE Antennas and Wireless Propagation Let-ters, 19, 801-805.
https://doi.org/10.1109/LAWP.2020.2980631 Wood, C. (1980) Improved Bandwidth of Microstrip Antennas Using Parasitic Elements. IEE Proceedings H (Microwaves, Optics and Antennas), 127, 231-234.
https://doi.org/10.1049/ip-h-1.1980.0049 Liu, N.W., Zhu, L., Fu, G., et al. (2018) A Low Profile Short-ed-Patch Antenna with Enhanced Bandwidth and Reduced H-Plane Cross-Polarization. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 66, 5602-5607.
https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2855730
Baidu
map