应用于WLAN的双频段滤波天线的设计.docx

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1、应用于WLAN的双频段滤波天线的设计内容摘要：本文设计了一款应用于WLAN局域网的紧凑双频带滤波天线。该天线主要由两个加载开路枝节的开环谐振器和一个双频带弯曲单极子天线构成。单极子天线不仅作为双频带滤波器的最后一个谐振器还作为辐射器。所设计的天线具有好的频率选择性和带外抑制性能，两个频带还可以相对独立地调节。仿真结果表明设计的滤波天线可以工作在2.45和5.2GHz频段，两个通带的带宽分别为12.4%和7.1%,并具有很好的带外抑制性能。关键词：带通滤波器双频天线滤波天线无线局域网天线小型化Abstract:Inthispaperacompactdual-bandfilterantennais

2、designedforWLAN.Theantennaismainlycomposedoftwoopen-loopresonatorsloadedwithopenbranchesandadual-bandbentmonopoleantenna.Themonopoleantennaactsnotonlyasthelastresonatorofthedualbandfilterbutalsoasaradiator.Thedesignedantennahasgoodfrequencyselectivityandout-of-bandsuppressionperformance,andthetwoope

3、ratingbandscanbeadjustedrelativelyindependently.Thesimulationresultsshowthathedesignedfillerantennacanworkin2.45and5.2GHzbands,andthebandwidthsofthetwopassbandsare12.4%and7.1%,respectively,withgdOUt-OAbandsuppressionperformance.Keywords:band-passfilter,dual-bandantenna,filteringantenna,WLANantenna,m

4、iniaturization目录一、引言41.1 课题研究背景与意义41.2 本文主要研究内容4二、滤波器和天线基本设计理论52.1 滤波器相关理论52.1.1 微波滤波器的概念52.1.2 微波滤波器的相关参数指标52.2 天线相关理论基础62.3 滤波天线设计方法8三、双频带滤波天线的协同设计103.1 三阶双频切比雪夫带通滤波器设计83.2 双频弯曲单极天线143.3 滤波器和单极天线的集成17四、结论20参考文献22致谢24一、引言1.1 课题研究背景与意义近年来，随着新科技成果的不断涌现，移动通信系统也跟着更新换代，特别是在微波和射频电路领域。而滤波器与天线无疑是这一领域中的两朵桂冠

5、。在对于整个通信系统水平改善方面，功能优异的滤波器和天线的效果作用是毋庸置疑的。滤波器作为一个频率选择器，对于系统的频率进行筛选，其功用在通信系统中是至关重要的。滤波器发展至今其尺寸由大变小，制式也由重变轻。天线则主要是作为通信系统的信号收发设备，其结构杂乱多样，有时可能是简单的金属贴片，有时却是结构复杂的电路设备。然而无论结构如何，天线发展的趋势也是一样的，即小型化、高增益、宽带化等45。在以往的设计中，一般是独立设计滤波器与天线，再用50Q传输线将滤波器与天线进行级联，这样会导致许多问题。首先会造成许多不必要的的系统损耗，而且会使得整个系统结构的体积增大。最关键的是由于在将滤波器和天线级联

6、时，二者之间难免会存在相互作用，这会导致阻抗不匹配等问题的出现，进而致使电路的性能变差。后来人们通过采用更好的级联方式设计天线和滤波器，将二者集成到一个器件中，形成具有滤波特性的天线，这便是滤波天线。正因为滤波天线相当于把天线和滤波器两者排列组合成一个新的元器件，进化后的元件不仅保留了原天线持有的部分辐射特性，而且比一般天线具有更好的频率选择性，可以有效地避免外部信号的干扰。滤波天线有许多优点。首先，整流滤波特性作为滤波天线的重要特性，如应用整流天线来提高整流效率，或应用某些天线系统需要实现特定的功能。一般来说，滤波天线通常在频率选择性和损耗性等方面表现较好。在传统的通信系统中，天线和滤波器通

7、常作为两个器件独立设计，若在两者之间加入阻抗匹配网络，会增加系统的插入损耗，降低电路性能；若不使用阻抗匹配网络，则会严重恶化通带边缘的滤波特性，同时也会降低系统的选择性。因此相比而言滤波天线的优势便凸显出来.1.2 主要研究内容本文所设计并研究的紧凑型双频滤波天线，其组成包括一个抽头馈线、两个双频带抽头加载开环谐振器和一个双频带弯曲单极子天线。用工作频带相同的双频弯曲单极天线取代滤波器的末级谐振器，通过天线与一阶谐振器之间的耦合建立滤波器天线模型。使用HFSS仿真，初步分析，研究相关尺寸参数的影响，调整天线的结构，进一步优化以达到期望的频带、滤波特性和辐射特性。实验结果表明，所设计出的滤波天线

8、在预期的2.45和5.2GHZ附近具有良好的频率选择性，带宽分别为12.俄和7.1队且带外抑制性能优异，基本达到要求。二、滤波器和天线基本概念理论2.1滤波器相关理论基础2.1.1微波滤波器的概念作为微波电路装置，微波滤波器的主要目的是保证信号能量在要求的通带范围内几乎是无损传输的，在不必要的阻带范围内保持高损耗和高衰减，从而调整信号传输和接收的频率特性。2.1.2微波滤波器的相关参数指标(1)截止频率(CutoffFrequency)基于最小插入损耗情况，截止频率通常被定义为与通带对应振幅低3db的频率。(2)绝对带宽(BandWidIh)和相对带宽(FractionalBandwidth)

9、指滤波器允许通过的频谱宽度。绝对带宽定义为BW=fz-(j,f2和fi是相应的上行、下行截止频率，相对带宽定义为FBW=BWfo,fo为中心频率。(3)带内纹波(In-bandRipple)带内纹波是指当插入损耗响应曲线在滤波器通带内浮动时，峰值和谷指之间的差异。(4)插入损耗(InsertionLoss)插入损耗通常表示为滤波器通带中心频率点的能量衰减，它反映了由于滤波器引入系统而引起的目标信号衰减。2. 2天线相关理论基础1. 2.1天线的概念天线实际上是在通讯中尽可能高效地接收和传送空间电磁波主要装置。2. 2.2天线相关参数指标(1)方向函数：假设天线位于球面坐标系的原点，如图2.1所

10、示，当它向周围环境定向辐射(或接收)电磁波时，其周围辐射场的相对空间分布的数学表达式是角坐标(O,)距离r的函数。图2.1空间方位角(2)方向图：通常是三维立体图，基于方向函数的图形表示，包括E平面和H平面。(3)天线增益系数：增益系数G表示如下，SmaX是天线最大辐射方向某一点产生的功率密度，S0是该点理想全向天线的功率密度。S(7=-三.(2.1)S,(4)天线频带宽度：一般来说通带中IOdB的回波衰减量上限频率fu和下限频率fi之差为天线的带宽：BW=fu-fi(22)2.3滤波天线设计方法迄今为止大致存在三种设计方法。(b)第一种是通过直接级联的方式将二者进行组合3。如图2.2所示，据

11、文献”中，首先确定局域网的工作频段，然后分别设计能涵盖所需频段滤波器与天线，最终把二者直接级联，期间可以适当调整一些匹配因素像如缝隙宽度、馈线位置等。这种方法明显有许多不足之处。直接级联相当于一种简单的叠加，如果二者尺寸都较大的的情况下最后整合的滤波天线的尺寸可能会非常臃肿。并且叠加之后的制成品因为缺少具体理论与相关公式的支持，在所需工作频段方面是否能达到要求也尚存疑。(a)图2.2直接级联法所得滤波天线示意图第二种可以说是脱胎于前一种146。如图2.3所示，在此类设计过程中，天线不仅作为辐射器工作，而且作为滤波器的谐振器，与滤波器集成在一起进行综合设计。与第一种方法不同的是，之所以天线替换或

12、取代某节谐振器是要让最终得到的滤波天线能在工作频段上更加贴近原来的单一滤波器或是天线所工作的频段，甚至保持相同。而且因为没有直接级联，在综合设计的过程中相当于把匹配网络省略，整个系统的尺寸也比直接级联要小得多。除此之外综合设计的优势还体现在通过不断的调试可以保留一定原本滤波器、天线自身所具备的一些特性。如果所组成的滤波器、天线性能优异，最终综合设计而成的滤波天线也会继承相当一部分性能。图2.3综合设计方法所得滤波天线结构示意图除此之外，这种设计方法相当于是设计一种独特的具有辐射功能的滤波器，因此在系统理论与相关参数尺寸公式方面可以适度沿用原滤波器的某些理论公式。当然这种设计方法也存在许多缺点，

13、如由于原本的滤波器内部可能存在数个谐振器，用天线替代时要如何耦合匹配，最终所得的滤波天线的匹配效果能否达到预期要求，信号的衰减与损耗如何尽量避免等一系列问题。本文所使用的设计方法便是这第二种方法。第三种方法也是迥然相异的，它并非在滤波器上进行综合设计，而是在天线上进行融合设计f7-O如图2.4所示，这是一款典型的没有附加滤波电路的源波天线。在通信系统中给天线构造一些具备滤波效果的寄生单元，常见的寄生单元有许多，如开路、短路过孔、短路枝节或开槽等。这些结构可以使得原本单一的天线具备一定的滤波特性。此举省略了滤波电路，由此使得整个滤波天线的总体尺寸与一般贴片天线相同，具备更优异的滤波效果更实现了小

14、型化。然而这种方法的缺点也比较明显，如对于短路枝节的加载位置和U形槽的尺寸和位置没有精确的计算公式，需要一定的工程经验并进行反复的模拟试验。此外,一旦天线形式改变，这种融合设计方法可能无法实现。图2.4融合设计所得滤波天线结构示意图三、双频带滤波天线的综合协同设计3.1双频带通滤波器的设计首先设计一款双频带通滤波器，如图3.1所示，该滤波器主要由三个加载有开路枝节的开环方形谐振器构成，是切比雪夫型，采用抽头馈电。滤波器制作在FR4介质衬底上，介质的介电常数e,=4.4,厚度h=lmm,介质损耗角tan=0.02。但谐振器仅开环不能满足需求，还要在谐振器内部加载开路枝节，并根据第二通带的谐振频率

15、来决定其的长度和位置。图3.2中是单个抽头加载开环谐振器结构的几何图形，整个滤波器可以看做是三个这样类似的谐振器组合而成，其共振条件公式：(3. 1)tan(n)+tan(n)+tan(n)=0在方程(3.1)中，n是双频谐振器的f与f;的比率，万与fi分别表示开环谐振器的高次谐振频率和基本谐振频率，式中0,、02与03分别表示此开环谐振器中各部分电长度，其中,与O2是加载开路枝节到两个开路端的电长度，0,与。2的长度和决定了基本谐振频率fi的大小；。3是加载开路枝节的电长度，长度决定高次谐波频率f的大小，工作频率与电长度。3满足下列关系：=tLTff)在公式(3.2)中，L2是开环谐振器内部的开路短截线的物理尺寸，g是f,所对应的介质中的导波波长。通过分别调整。，、02和03的长度，可以灵活的改变两个频率的大小。因此根据实际要求，当频率fi与f;选择2.45、5.2GHZ时，可以计算出两个频率的比值n=2.12,根据上面提到的公式(3.1)和(3.2)分别计算出各部分的电长度为,=149.91o,02=49.98o,O3=26.3。接下来根据公式求馈线位置：#3%(3.3)(3.4)UFBW其中FBW表示预期的部分带宽。g、g2、g3和g4是标准值。计算所得的Qe,和QC2分别为8.6和10.3。通过求解方程，理论耦合系数k2和k23分别等于0.11和0.