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使用寄生环路改进上边带选择性的印刷单向天线
Jiangniu Wu, Zhiqin Zhao, Zaiping Nie, and Qing-Huo Liu
摘要：在本篇文章中，提出了一种具有改进的上边带选择性的印刷单向天线，以实现带通滤波增益性能。该天线由具有两个间隙的印刷矩形环组成：1）寄生带，2）寄生环。矩形环提供良好的较低带边选择性，并且寄生带决定上边带选择性的位置。用作导向器的寄生环用于改善上带边选择性的容量。此外，还探讨了天线的通带带宽可控性。为了证明该设计的有效性，制造和测试了天线原型。实验结果验证了所提出的设计的有效性。测量结果表明，制造的天线提供56.6％的通带带宽，范围从2.18到3.9 GHz。良好的带通滤波增益性能，通带增益优于4.4 dBi。还实现了在工作带宽中具有几乎相同的E-和H-平面图案的稳定的单向辐射图案。测得的前后比优于10 dB。
关键词：带边选择性;带宽可控性;滤波天线;单向辐射模式
1.引言
随着无线通信系统的快速发展，各种应用的需求对于具有低成本，低轮廓和宽带性能的天线增加[1]，[2]。平面印刷天线由于其轻便，易于集成和制造而被广泛研究[3]。为了抑制不需要的干扰信号，总是需要具有带通滤波特性的天线。通常，天线和滤波器是单独的组件。天线的带通滤波特性通常通过在天线之后级联带通滤波器来获得。然而，这种设计将导致大的天线尺寸。因此，需要将天线和带通滤波器集成为单个器件，以实现小型化[4]。
一些具有集成带通滤波器的天线已经在[4]-[7]中报道。在带通滤波器的合成过程之后，具有良好带通滤波特性的天线在[4]-[6]中实现。天线还增加了四个短路引脚，以提高滤波性能的选择性[7]。然而，这些滤波器的带宽不容易控制和改变。在某些情况下，天线需要具有单向辐射模式以抑制不必要的干扰并优化功率效率[8] - [10]。一个印刷的矩形环天线具有两个引入的间隙，可以实现高方向性并提供良好的低边带选择性[11]。当寄生条被引入并放置在矩形环的主辐射方向上时，矩形环形天线在高频处的阻抗匹配得到改善。可以获得具有宽阻抗带宽和良好的单向辐射图的天线[12]。然而，由于在高频下的较差的频带边缘选择性，在[12]中提出的天线没有给出良好的带通滤波增益性能。
在这篇文章中，提出了一种印刷的单向天线。引入了额外的寄生环路以改善较高的频带边缘选择性，以实现良好的带通滤波增益性能。附加的寄生环路不仅具有提高上边带选择性的能力，而且还具有作为导向器的效果。因此，通过引入附加的寄生环路，可以提高所设计的天线的上边带选择性和辐射方向性。可以同时实现良好的带通滤波增益性能和单向辐射模式。此外，通过调整上频带边缘选择性的位置，可以容易地控制和改变所提出的天线的通带带宽。制造的天线原型的测量结果验证了拟议设计的有效性。
2.天线结构
所提出的天线的配置如图1所示。 设计的天线印刷在相对介电常数为4.4，厚度为0.4mm的FR-4基板上。该天线由具有两个间隙的印刷矩形环组成：1）寄生带，2）寄生环。所提出的天线基于[12]中提出的参考天线，如图1中的红色虚线框所示。由于两个间隙，矩形环形天线可以被认为是具有弯曲反射器元件的弯曲偶极子，然后获得良好的单向辐射特性[11]。寄生带和寄生环放置在矩形环的主辐射方向上。具有50-Omega;特性阻抗的输入用于激励天线用于仿真。使用CST微波工作室（CST-MWS）作为仿真工具来分析所提出的天线的性能。设计天线的尺寸总结并列在表1中。
图１ 本文中的天线的配置
表１ 天线的尺寸
|
参数 |
值（ｍｍ） |
参数 |
值（ｍｍ） |
参数 |
值（ｍｍ） |
|
d1 |
10.2 |
d2 |
4.2 |
d3 |
5.2 |
|
d4 |
11 |
w0 |
2.2 |
w1 |
2.2 |
|
w2 |
2 |
g1 |
0.7 |
g2 |
3 |
|
l1 |
42 |
l2 |
27 |
l3 |
25 |
对于设计的天线，较低的频带边缘选择性由矩形环路确定，而较高的频带边缘选择性由寄生带决定。 附加的寄生环路用于提高上边带选择性的能力，以实现良好的带通滤波性能。 在这篇文章中，给出了指导天线设计的设计过程。本节还讨论了天线的几何形状如何确定下边带和上边带选择性。
首先，确定较低的频带边缘选择性。对于如[11]中的矩形环路，根据给出的测量结果，驻波比从0.8GHz的8.5急剧变化到0.87GHz附近的2。因此，我们得出结论，具有两个引入间隙的矩形环可以提供良好的较低带边缘选择性。对于所提出的天线，矩形环路仍然用于实现较低的频带边缘选择性。所提出的天线的矩形环路的仿真反射系数如图３所示。观察到，反射系数也从2.0GHz处的-0.63dB急剧变化到2.164GHz处的-10dB。然后确定具有两个引入间隙以实现良好的较低带边缘选择性的矩形环路。矩形环路的弯曲印刷偶极子的长度（l1 2d3）是用于确定较低带边缘选择性的位置的重要参数。假定给定带宽，可以通过调整弯曲的印刷偶极子的长度来决定较低带边缘选择性的位置。此外，通过稍微调整参数d1和d2可以改善较低频带边缘选择性的能力。
接下来，使用寄生带确保上边带选择性的位置。当寄生条带被引入并放置在矩形环路的最大辐射方向时，如图1中的红色虚线框所示，天线的辐射电阻将在高频下急剧下降[12]。 具有寄生带（l2 = 27mm）的矩形回路的仿真输入阻抗示于图2中。如图所示，对于参考天线，输入阻抗的实部和虚部在4 GHz左右急剧下降。因此，输入端口的反射将急剧增加，并获得较高的频带边缘选择性。
图２ 不同天线的仿真输入阻抗
图３ 带宽可控性通过引入寄生带
图3示出了函数的作为l2的参考天线的仿真反射系数。可以看出，上带边缘选择性的位置主要由寄生带的长度（l 2）决定。对于l2 = 27mm，可以看出，随着寄生带的引入，在3.7GHz处引入新的谐振，并且注意到要获得的较高的频带边缘选择性。随着l2增加（即，l2 = 29mm，31mm），上部频带边缘选择性的谐振和位置移动以降低频带。然而，较低的频带边缘选择性几乎不随着l2的变化而改变。因此，我们可以得出结论，较低的频带边缘选择性和较高的频带边缘选择性是独立的。通过调整l2，我们可以实现一个容易控制的阻抗带宽。然而，观察到上带边选择性不如较低带边缘选择性好。对于l2 = 27mm，参考天线在高频处的反射系数从3.73 GHz的-10dB缓慢变化到4.17 GHz的-1dB。因此，为了实现良好的带通滤波性能，需要改善上边带选择性。
第三步是提高上边带选择性的能力。在我们的设计中，使用附加的寄生环路来提高上带边选择性。寄生环路的参数如图1所示。具有寄生环路（l3 = 25mm）的所提出的天线的相应的仿真输入阻抗也在图２中给出。如图2所示，当引入附加寄生环路时，所提出的天线的输入阻抗的实部在高于4GHz的频带中急剧下降，并且在4.22GHz附近趋于零。然后，由于在输入端口处的不良阻抗匹配而导致高反射。
附加寄生环路对反射系数的影响如图4所示。如图所示，天线的反射系数从3.91 GHz的-10dB急剧变化到4.05 GHz的-1dB。与参考天线相比，使用额外的寄生环路，设计的天线的较高的频带边缘选择性显着提高。还注意到，当添加额外的寄生环路时，阻抗匹配在工作带宽上得到改善。这是因为在低于4GHz的频带中，输入阻抗的实部和虚部越来越接近50Omega;和0Omega;（如图2所示）。
图4 仿真反射系数与参考天线和设计天线增益的比较
附加寄生环路对实现增益的影响也在图4中示出。由于增益性能与S11响应的行为密切相关的事实，通过实现的增益响应也可以证明上带边选择性的改善。如图4所示，观察到所提出的天线的实现的增益从4GHz处的4.7dBi减小到4.2GHz处的-11.4dBi，其中，从3.9GHz处的3.1dBi到4.8GHz处的-10dB处的恒定值。明显观察到上部带边缘选择性的改善。此外，包含额外环路的影响显然是增益响应在4.25 GHz附近产生“反射零点”（RZ）。这是因为当添加寄生环路（如图2所示）时，输入阻抗的实部急剧下降并趋向于在4.25GHz附近为零。然后由于不良的阻抗匹配而导致高反射。所提出的天线的带外抑制比在高频处的参考天线的带外抑制强得多。由于附加寄生环路用作导向器的事实，所提出的天线在通带中的实现增益高于参考天线。图5示出了用于改善上带边选择性的附加寄生环路是简单和有效的。通过调节寄生环路的长度可以增强上带宽选择性的能力。
图5 寄生环路长度对反射系数的影响
图6 由寄生带和寄生环确定的上带边选择性的可控性
图6示出了上频带边缘选择性的可控性。可以观察到，上边带选择性由寄生带和寄生环的长度决定。 通过调节寄生带和寄生环的长度，可以很容易地改变上边带选择性的位置。 此外，当寄生带和寄生环路改变时，较低的带边选择性稍微改变。这意味着可以通过调整上频带边缘选择性的位置来容易地控制和改变所提出的天线的通带带宽。
3实验结果
为了证明所提出的设计的有效性，根据表1中总结的尺寸制造天线的原型。所制造的天线的照片在图7（a）中示出。使用具有同轴火箭筒巴伦的柔性50-Omega;同轴电缆来馈送用于测量的天线，如在[12]中。同轴电缆的内导体连接到矩形环的弯曲偶极的一个臂，而电缆的外导体焊接到另一个臂。柔性同轴电缆和设计的平衡 - 不平衡变换器的几何形状如图7（b）所示。火箭筒巴伦的长度（LB）用不同的子带中的测量值进行不同的值。在测量期间，工作频带被分成四个子带（1.5-2.5GHz，2.5-3GHz，3-3.5GHz和3.5-5GHz）。制造的天线的阻抗带宽使用Agilent E8363B性能网络分析仪获得。使用SATIMO天线测量系统获得制造的天线的实现的增益和辐射图案。
图7 （a）加工的天线（b）同轴馈电电缆和同轴电缆平衡 - 不平衡变换器的结构
图8示出了设计的天线的仿真和测量的反射系数。 如图所示，测量结果与仿真结果一致。 观察到带通滤波性能，如预期成功地改善了上带边选择性的能力。这种现象证明，用于提高上带边选择性的容量的附加寄生环路是非常有效的并且经实验验证。仿真和测量结果之间的差异可能是由于同轴馈电电缆的效应和制造缺陷。根据测量结果，制造的天线的带宽约为从2.18到3.9GHz的56.6％。
图8 该天线的仿真和测量反射系数的比较
设计天线的仿真和测量天线增益如图9所示。可以看出，测量的增益与通带中的仿真模拟结果一致。如图9所示，测量增益小于-4.6dBi高带外区域。虽然测量的增益性能不如在高带外区域内的仿真增益性能好，但是用于改善较高频带边缘选择性的附加寄生环路仍然有效和成功。不想要的干扰信号仍然可以是在高带外区域中被抑制。由于在低频下的良好的频带边缘选择性，获得了带通滤波增益性能。根据通带中的测量结果，在3.1GHz处注意到最小实现增益，值为4.4dBi，在3.9GHz处注意到最大实现增益，值为6.4dBi。这意味着制造的天线可以实现比4.4dBi更好的相对光纤增益。在带外区域中的测量增益比在通带中实现的增益低大约9dB。
图9 设计天线的实际增益和辐射效率的仿真和测量结果
设计天线的仿真和测量的辐射效率也绘制在图９。还可以从辐射效率观察用于改善上带边选择性的附加寄生环路的有效性。对于通带（2.2-3.9 GHz），测量的辐射效率约为80％。在高带外测量的辐射效率从70％快速下降到10％。由于上边带选择性的改进，实现了带通滤波性能。测量结果进一步表明，使用额外的寄生环路增强了高带边缘选择性的能力。
为了证明制造的天线的辐射性能，测量其辐射图。图10和11分别绘制了在不同频率的E平面（xoz平面）和H平面（yoz平面）中的仿真和测量的辐射图案。从实验结果可以看出，
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