基于多模滤波器概念的宽带天线设计

褚庆昕; 罗宇; 郑东泽; 吴锐

doi:10.13443/j.cjors.2018042302

基于多模滤波器概念的宽带天线设计

华南理工大学, 广州 510640

基金项目:

国家自然科学基金 61671207

详细信息

作者简介:
褚庆昕 (1958-), 男, 山东人, 博士, 华南理工大学教授, 博士生导师, 目前从事的研究领域包括无线通信中的天线与射频技术、毫米波空间功率合成技术等

通信作者:
褚庆昕 E-mail:qxchu@scut.edu.cn

中图分类号: TN822⁺.8
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出版历程
- 收稿日期: 2018-04-22
- 网络出版日期: 2020-12-30
- 发布日期: 2018-08-29
- 刊出日期: 2018-08-29

Design of broadband antenna based on the concept of multi-mode filter

South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

摘要

摘要: 提出了一种基于多模滤波器概念的宽带天线设计方法.多模宽带滤波器的研究已有多年的历史.本质上讲，谐振天线的辐射单元也是谐振器，同样存在着多个模式.因此，多模滤波器的概念和方法完全可以应用于宽带谐振天线的设计.文中给出了所提出的多模宽带天线的原理，并通过支节加载偶极子演示了典型的设计方法.仿真和测试结果表明，所设计的天线在几乎不影响尺寸的情况下有效地实现了宽带特性.
- 多模 /
- 宽带天线 /
- 谐振天线 /
- 支节加载偶极子 /
- 多模滤波器
Abstract: A design method of broadband antennas based on the concept of multi-mode filters is proposed. The multi-mode broadband filters have been researched for many years. In fact, the radiation element of a resonant antenna is also a resonator, and also has multiple modes. Therefore, the concept and design method of multi-mode filters can be applied to design broadband resonant antennas. In this paper, the principle of multi-mode broadband antennas is presented, and the typical design method is demonstrated by stub-loaded dipole. The simulation and measurement results show that the bandwidths of the designed antennas are enhanced with the same sizes.
- multi-mode /
- broadband antenna /
- resonantantenna /
- stub-loaded dipole /
- multi-mode filter

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引言

近年来, 随着无线通信的快速发展, 天线需要同时覆盖多个频段, 因此需要天线具有非常宽的频带.例如, 对于现代基站天线而言, 不仅需要宽的阻抗带宽, 同时需要宽的方向图带宽、增益带宽等等.宽带天线的种类很多^[1-2], 例如, 粗导体偶极子、椎形天线、行波天线和等角螺旋天线、对数周期天线等非频变天线.对于许多应用而言, 粗导体天线尺寸虽然可以满足要求, 但带宽不足; 行波天线和非频变天线具备了足够的带宽, 但尺寸又太大.实际上, 除了教科书中介绍的宽带天线外, 近年来出现了许多小型的宽带甚至超宽带天线, 例如, 在文献[3]中, 褚庆昕等通过对矩形单极子天线切角实现了3.1~10.6 GHz阻抗宽带特性.文献[4]中通过多个C形天线的组合实现了更宽的阻抗带宽特性.遗憾的是, 这类天线的文章中很少阐述其宽带的本质机理.通过输入阻抗和电流分布的观察, 对比多模滤波器理论, 我们发现, 这类天线的机理本质上就是多模天线.多模天线是指由多个模式组合而成的天线, 通过控制辐射单元的多个模式或者引入新的谐振模式实现宽带特性.对于小型化的宽带天线而言, 可以说, 多模结构才是最合适的选择.图 1给出了多模天线基本概念的说明.假设谐振单元有二个谐振模式, 图 1(a)所示.一般情况下这二个模式的谐振频率相隔较远, 无法形成宽带.如果找到一种方法, 能够控制这些模式到适当的位置, 就有可能形成宽带, 如图 1(b)所示.就电路特性而言, 多模天线的本质是多模滤波器的原理, 所不同的是, 多模天线在保证阻抗带宽的同时还要满足方向图带宽, 因此, 要求在每个模式上天线要具有相似的电流分布.本文基于支节加载宽带滤波器的基本原理, 提出了基于枝节加载偶极子的多模宽带天线, 演示了一种典型的多模宽带天线的设计方法.所设计实现的天线在阻抗、方向图等方面都满足了基站天线的要求, 可应用于现代基站天线.

图 1 多模宽带天线的基本机理

Fig. 1 Mechanisms of multi-mode broadband antenna

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1 支节加载多模滤波器原理

图 2所示为基于支节加载谐振器实现的多模微带滤波器.通过奇偶模分析可以得到两个独立模式的谐振频率, 如式(1)和(2)所示(其中, Z₁, L₁, Z₂, L₂分别表示半波长谐振器和短路线的特性阻抗和长度, c是真空中的光速, ε_eff是基片的有效介电常数, n=1, 2, 3…).因此, 通过改变支节和谐振器的尺寸, 就可以独立地控制两个模式, 从而实现双模宽带滤波器.文献[5]给出了一种基于支节加载谐振器的超宽带滤波器, 工作带宽达到了3.1~10.6 GHz.

${f_{{\rm{odd}}}} = \frac{{(2n - 1)c}}{{2{L_1}\sqrt {{\varepsilon _{{\rm{eff}}}}} }},$

(1)

${f_{{\rm{even}}}} = \frac{{(2n - 1)c}}{{\left( {2{L_1} + 4{L_2}} \right)\sqrt {{\varepsilon _{{\rm{eff}}}}} }}.$

(2)

图 2 支节加载多模滤波器

Fig. 2 Stub-loaded multi-mode filter

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2 支节加载偶极子

我们把支节加载宽带滤波器的概念用于偶极子天线.在馈电端口并联加载了开路支节和短路支节, 结构及尺寸如图 3所示.图 4给出了采用HFSS软件仿真得到的偶极子和支节加载偶极子天线的输入阻抗的实部、虚部和|S₁₁|.可以看到, 加载支节后, 偶极子输入阻抗的虚部零点发生了移动, 随着开路支节的增加, 虚部零点向低频聚集.一个更有趣的现象是, 输入阻抗的实部同时逐渐变缓, 这为实现天线的宽带阻抗特性提供了可能.我们知道, 阻抗虚部为零意味着谐振, 虚部零点的移动意味着谐振模式的移动.因此, 支节加载实质上就是控制了偶极子几个谐振模式的聚集.图 5给出了支节加载偶极子的电流分布, 可以看出, 支节上的电流是相反的, 辐射的电磁波在空间相互抵消, 因此, 支节加载几乎没有改变偶极子的电流分布, 可以判断, 方向图也会保持不变.

图 3 支节加载偶极子

Fig. 3 Stub-loaded dipole

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图 4 HFSS仿真的阻抗和|S₁₁|

Fig. 4 HFSS simulation impedance and |S₁₁|

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图 5 支节加载偶极子的电流分布

Fig. 5 Current distribution of the stub-loaded dipole

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为了能够更好地理解支节加载偶极子宽带化的原理, 我们基于传输线等效电路进行分析.假设半波偶极子等效为一段四分之一波长的开路线, 终端接空间阻抗, 如图 6(a)所示.图 6(b)为加载单短路支节的偶极子等效电路.针对图 3的偶极子尺寸, 假设传输线特性阻抗为100 Ω, 空间阻抗为300 Ω.诚然, 这个等效电路的假设并没有严格的理论依据, 但是所计算的输入阻抗(图 7(a))与HFSS全波仿真结果却非常相似.图 7(b)和图 7(c)分别为根据这个等效电路计算的输入阻抗和|S₁₁|, 其中支节长度为0.2λ(λ为谐振点中心频率对应的波长).可以看到, 单支节加载的偶极子在工作带宽内聚集了三个阻抗虚部零点, 即谐振模式, 阻抗实部在50 Ω左右变化, 因此带宽明显大于只有单个模式的无支节加载的偶极子.图 8给出了图 3所示的支节加载偶极子的传输线等效电路及其所计算的输入阻抗.可以看到, 基于传输线电路仿真的输入阻抗和HFSS仿真的输入阻抗是一致的, 说明所提出的传输线等效电路是可行的.

图 6 传输线等效电路

Fig. 6 Equivalent circuit

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图 7 输入阻抗和|S₁₁|

Fig. 7 Input impedance and |S₁₁|

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图 8 加载开路和短路支节的偶极子的传输线等效电路和输入阻抗

Fig. 8 Equivalent circuit of open-stub and shorted- stub-loaded dipole and input impedance

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为了减小支节所占的空间, 根据倒L天线的原理, 我们提出了倒L形支节加载偶极子, 如图 9所示.可以看到, 随着倒L支节长度的增加, 谐振模式同样可以向低频方向聚集.

图 9 倒L支节加载偶极子及其|S₁₁|

Fig. 9 Return losses of inverted-L stub-loaded dipole

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3 应用

3.1 应用一

根据上一节提出的基于支节加载偶极子展宽带宽基本原理, 褚庆昕等提出了一款单极化基站天线^[6].天线结构如图 10所示, 两个平行的短路单支节加载偶极子印制在介电常数为2.55的介质基板上, 基板置于地板正上方四分之一波长处; 两个偶极子之间相距半个波长; 偶极子通过平行双线进行馈电; 射频信号从同轴线馈入, 先转化到微带上, 然后渐变到平行双线上, 并通过单支节阻抗匹配器实现匹配.天线的加工实物如图 11所示.图 12、图 13和图 14分别给出了仿真和测试的|S₁₁|、天线的增益和半功率波瓣宽度、天线的辐射方向图, 测试与仿真结果吻合良好.结果显示, 天线在1.71~2.69 GHz频段内, |S₁₁|小于-15 dB, 增益为9.5±1 dBi, E面半功率波瓣宽度为65±4°, H面半功率波瓣宽度为64±5°, 带内方向图稳定.

图 10 单极化天线结构图

Fig. 10 Structure of the single-polarized antenna

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图 11 单极化天线实物图

Fig. 11 Prototype of the single-polarized antenna

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图 12 单极化天线的|S₁₁|

Fig. 12 |S₁₁| of the single-polarized antenna

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图 13 单极化天线的增益和半功率波瓣宽度

Fig. 13 Gain and HPBW of the single-polarized antenna

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图 14 单极化天线的辐射方向图

Fig. 14 Radiation patterns of the single-polarized antenna

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3.2 应用二

基于倒L支节加载偶极子, 褚庆昕等提出了一款双极化基站天线^[7], 结构如图 15所示.该天线的两对开口环形偶极子通过耦合实现馈电, 偶极子臂上加载L型支节.耦合馈电片印制在介质板(FR4, 厚度为0.8 mm, 介电常数为4.4)的顶层, 加载L支节的偶极子印制在介质板的底层.天线优化后的主要参数为(单位:mm):L_g=120, H₂=5, H₁=36, L_s=90, dip_len=32.6, stub_len1=5, slot_w=0.23, stub_len2=22.4, dip_w=1.5.

图 15 双极化天线

Fig. 15 Dual-polarized antenna

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图 16给出了天线仿真和测试的驻波比及隔离度.结果显示天线相对带宽达到了25.6%, 在1.7~2.2 GHz范围内电压驻波比(voltage standing wave ratio, VSWR) < 1.5, 端口隔离度大于27 dB.图 17给出了1端口的激励结果, 实测的增益为8.1±0.8 dBi, 半功率波瓣宽度(Half-power beamwidth，HPBW)为65±4.2°, 与仿真结果吻合良好.端口1激励时的辐射方向图(水平面)如图 18所示, 该天线在整个带内具有稳定的辐射方向图.

图 16 双极化天线的驻波比和隔离度

Fig. 16 VSWR and isolation of the dual-polarized antenna

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图 17 双极化天线的增益和半功率波瓣宽度

Fig. 17 Gain and HPBW of the dual-polarized antenna

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图 18 双极化天线的辐射方向图

Fig. 18 Radiation patterns of the dual-polarized antenna

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4 结论

本文提出了基于多模滤波器概念的宽带天线的原理和设计方法, 并据此提出了两款应用于移动通信基站的多模宽带天线.仿真和测试结果表明, 所提出的天线同时满足宽带的阻抗匹配和辐射特性, 适合应用于现代移动通信系统.

多模控制的概念和方法为宽带天线设计提供了一个行之有效的途径.除了本文提到的支节加载的方法, 还可以有很多模式控制的方法, 比如谐振器加载的方法^[8-10].限于篇幅, 本文不再赘述.

图 1 多模宽带天线的基本机理

Fig. 1 Mechanisms of multi-mode broadband antenna

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图 2 支节加载多模滤波器

Fig. 2 Stub-loaded multi-mode filter

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图 3 支节加载偶极子

Fig. 3 Stub-loaded dipole

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图 4 HFSS仿真的阻抗和|S₁₁|

Fig. 4 HFSS simulation impedance and |S₁₁|

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图 5 支节加载偶极子的电流分布

Fig. 5 Current distribution of the stub-loaded dipole

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图 6 传输线等效电路

Fig. 6 Equivalent circuit

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图 7 输入阻抗和|S₁₁|

Fig. 7 Input impedance and |S₁₁|

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图 8 加载开路和短路支节的偶极子的传输线等效电路和输入阻抗

Fig. 8 Equivalent circuit of open-stub and shorted- stub-loaded dipole and input impedance

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图 9 倒L支节加载偶极子及其|S₁₁|

Fig. 9 Return losses of inverted-L stub-loaded dipole

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图 10 单极化天线结构图

Fig. 10 Structure of the single-polarized antenna

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图 11 单极化天线实物图

Fig. 11 Prototype of the single-polarized antenna

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图 12 单极化天线的|S₁₁|

Fig. 12 |S₁₁| of the single-polarized antenna

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图 13 单极化天线的增益和半功率波瓣宽度

Fig. 13 Gain and HPBW of the single-polarized antenna

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图 14 单极化天线的辐射方向图

Fig. 14 Radiation patterns of the single-polarized antenna

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图 15 双极化天线

Fig. 15 Dual-polarized antenna

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图 16 双极化天线的驻波比和隔离度

Fig. 16 VSWR and isolation of the dual-polarized antenna

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图 17 双极化天线的增益和半功率波瓣宽度

Fig. 17 Gain and HPBW of the dual-polarized antenna

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图 18 双极化天线的辐射方向图

Fig. 18 Radiation patterns of the dual-polarized antenna

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参考文献(10)

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施引文献(4)

期刊类型引用(2)

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2.	宋志伟，李尔平，郑宏兴，王蒙军. 一种低剖面轮廓的超宽带介质谐振器天线设计. 哈尔滨工程大学学报. 2020(02): 257-262 . 百度学术

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1 支节加载多模滤波器原理
2 支节加载偶极子
3 应用
3.1 应用一
3.2 应用二
4 结论

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作者简介:
褚庆昕 (1958-), 男, 山东人, 博士, 华南理工大学教授, 博士生导师, 目前从事的研究领域包括无线通信中的天线与射频技术、毫米波空间功率合成技术等

通信作者:
褚庆昕 E-mail:qxchu@scut.edu.cn

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