无线应用中的滤波天线设计及性能分析

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报4（2017）125用于无线应用的具有辐射和滤波功能的滤波天线Jagadish Baburao JadhavBagh， Pramod Jagan Deore电子与电信系，R。C. 地址：Patel Institute of Technology，Shirpur，Maharashtra 425405，India接收日期：2016年7月23日;接受日期：2016年2016年11月9日摘要本文提出了一种中心频率为2.45GHz的新型5阶切比雪夫带通滤波器和0.1dB等波纹滤波天线。该设计是基于滤波器的综合方法，它使用天线辐射器作为滤波器的最后一级谐振器这种新的紧凑型设计作为一个多功能模块，同时执行过滤和辐射4个谐振器由并联耦合的半波长微带线提供，最后一个谐振器由天线提供。在没有额外电路面积的情况下，与简单地与天线和相同阶数的带通滤波器级联的滤波器相比，所提出的几何结构提供了良好的设计精度和滤波器选择性实测结果与设计结果吻合较好。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：滤波天线; T形微带天线;滤波器综合1. 介绍射频前端中最重要的两个无源器件是微波滤波器和天线。天线和微波滤波器大多是单独设计的，并通过传输线连接，这增加了损耗和电路尺寸。将这两个无源器件集成在一起将减少它们之间的阻抗失配，损耗将减小，尺寸将紧凑，因此系统的整体性能将增强。这种装置将是同时执行辐射和滤波的多功能模块这样的积分也是为了掌握带宽的目的，这意味着频率响应的成形过去的研究人员已经进行了滤波天线的参数分析，其中将辐射和滤波功能集成到单个模块中，该单个模块的特征在于对于反射系数和天线增益两者都具有类似于滤波器的频率响应（Chen等人， 2013年）。需要额外的阻抗匹配电路来获得期望的性能，这实质上增加了电路的复杂性。*通讯作者。电子邮件地址：jagadish. gmail.com（J.B. Jadhav），pjdeore@yahoo.com（P.J. Deore）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.10.0072314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。126J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）125××||||Fig. 1.滤波天线的几何形状。系统的重量、尺寸和损耗。 滤波天线使用几种形状或形式来设计，诸如扇形天线（Chen等人， 2013）、方形天线（Hsieh等人，2015; Li和Liu，2016）、U形天线（Jiang等人，2016年;Zhang等人，2015）、倒L形天线（Chuang和Chung，2011）、U形天线（Wei-Junwu等人，2011; Chao-Tang和Chung，2011），曲折线天线（Chuang和Chung，2009）。这些天线非常容易受到失配的影响，这对尺寸和损耗的减小不利。在上述所有设计中，通过向天线馈电网络插入额外的滤波电路来获得滤波性能，这降低了天线增益（Zhang等人，2015年）。在（Chuang和Chung，2011）中报告的天线被认为是本拟议工作中的参考天线。这些报道的滤波天线使用低厚度基板，如Roger R04003和RT Duroid，这是昂贵的，并提供宽带操作。在（Chen等人，2013），其中偏转接地结构充当辐射器以及滤波器的第二谐振器。在（Hsieh等人， 2015），贴片天线和阶跃阻抗谐振器与多层概念的直接集成以形成堆叠滤波天线，相同的概念在（Jiang et al.， 2016），具有两个金属化通孔的滤波天线的垂直集成将顶部天线连接到底层，因此在堆叠配置中，几何形状的总体积变大。这些尝试表明，协同设计的滤波天线具有体积小、频带选择性好、谐波抑制好、带宽可控等优点 除了使用天线辐射器作为滤波器的最后一级谐振器的滤波天线设计的最流行技术（Chen等人，2013; Chuang和Chung，2011，2009; Wei-Junwu等人，2011; Chao-Tang和Chung，2011; Mansour等人， 2014年）。在本文中，天线和滤波器组件首先单独设计，以获得良好的辐射性能在所需的频带。 图图1示出了5阶切比雪夫带通滤波天线的几何形状。它包含4个平行耦合的半波长微带线和一个T形天线作为第五谐振器，以实现整个系统的最佳性能平行耦合是有利的，因为它将长度减少到一半，并且还允许相邻条带之间的更大间隙与其他滤波器相比，谐振器之间具有适当间距的并联耦合滤波器结构通过增加滤波器的阶数（这里N = 5），纹波水平降低，分数带宽增加，电路具有更好的带内S21性能和改进的S11（Chin等人，2008年）。这里，滤波天线被印刷在0.508 mm厚的基板上，εr= 3.38，损耗角正切为0.0027。整个电路的接地平面的尺寸为L W= 80mm × 40 mm。使用宽度为1.44 mm的50Ω微带线为天线馈电为了简化制造和增强电路性能，四分之一波导纳逆变器用于综合和设计。2. 合成2.1. T形天线T形天线作为谐振器以及滤波天线的负载阻抗。它表现出串联共振。T形天线的电路组成为，LF=谐振电感;CF=谐振电容RF=天线辐射电阻;CG=寄生电容Yin=天线J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）125127ΣΣ=0F=图二、（a）第N个耦合线段的几何形状和相应的等效电路。（b）T形天线的等效电路这里，由于在天线馈电点处的电荷累积，包括分流电容CG。图2（b）示出了T形天线的等效电路。利用IE3D电磁仿真软件对T形天线的等效电路进行了优化计算。要合成的带通滤波器的最后一个谐振器由串联LF−CF电路提供，中心频率为，1f0=2πLC（一）该中心频率被选择为2.45 GHz。由于寄生电容CG的存在，天线频率fA必须略大于中心频率，并且它由天线的带长度确定。天线S1120测井 Yin−Y0（2）Yin+ Y0其中，Yin是从等效电路导出的，1Yin=j2πfCG+R+j2πfLF -j2πfLF （女）2（3）通过首先提取等效电路元件，然后天线在中心频率f0处谐振。我们可以得到天线频率fA，然后通过将所有值代入上述等式，我们可以得到物理尺寸。品质因数是谐振电路的重要参数，品质因数越高，谐振电路的损耗越小。天线的品质因数可以用于合成滤波天线，由下式给出：QA= 2πf0LFRF（四）在QA中没有考虑寄生电容的影响，因此，它不是天线的全部品质因数。可以看出，天线的品质因数随着辐射电阻的增加而降低。T形天线的尺寸为l1 = 8mm，l2 = 15mm，和w1。在天线谐振频率fA= 2.51 GHz时，等效电路的组成为LF= 11.745 nH，CF= 0.359 pF，RF= 22▲，CG= 0.37 pF2.2. 滤波天线五阶切比雪夫带通滤波器的综合，其中前四阶（滤波器谐振器）由平行耦合线部分提供，最后一阶由T形天线提供第五耦合线段的综合与其他耦合线段的综合不同，它必须与T形天线的低辐射阻抗相匹配考虑图图2（a）中示出了第N（5）个具有奇模特性阻抗（Z0reN）和奇模特性阻抗（Z0reO）的耦合线段。 2（a）. 第N个耦合线段的等效电路也在同一图中以中心频率f0示出。导纳逆变器图中所示。2（a）基本上是理想的四分之一波长Transformer，它使我们能够在整个网络中使用相同的谐振器，并且更便于在微波频率下实现滤波器。为了获得耦合线段及其等效电路的相同性能，我们必须证明两个电路的ABCD矩阵在θ = π /2处近似相等（Chuang和Chung，2011）。 ABCD参数是传输参数，用于定义使用更多级联部分时的电路性能。图像FF128J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）125在N在N0eN个zlaNN00oN一个zlaN0N0在N一GLF（（f/fF）−（f0/f））+FCFf/f0−f0/fC0图三.集成滤波器天线的等效电路。计算两个电路的阻抗和传播常数并使其相等，以获得偶模和奇模特性阻抗，由下式给出Zr=ZZ0+JrZ+（JrZ）2（5）Zr=Z<$Z0−JrZ+（JrZ）2<$（6）其中Za是等效电路右侧传输线的特性阻抗 由于我们已经得到了耦合线段和T形天线的等效电路，滤波天线结构可以表示为图3所示。导纳逆变器之间的两个传输线部分可以由并联LC谐振器代替。本文将T形辐射器建模为串联RLC谐振器（RF，LF，CF）。并联电容CG用于表示寄生电容。该CG考虑了由于接地平面的截断而引起的天线馈电点周围的电荷。对于接近中心频率的频率，天线截面的Y1Y1j2πfC+。第107章：一夜情（7）Y2=j2πfCr+Yr（八）在哪里G在r（JrZa）2（九）Yin= .L（（）（ ））将Yirn的值代入Y2，22r（JrZa）2（十）Yin=jπfCG+ .L（（）（ ））JFCF等式（7）和（10）对于CGrf/f0 -f0/f+RFr21r（JrZa）2N（JNZa）j2πfCG+LFCF （（f/f0）−（f0/f）））+RFn=j2πfCG+LFCF（（f/f0）−（f0/f））+RFCGr =（JrZa）2CG..一0JRFJ+RFJJJ.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）125129NGAGAQ（11）现在，如果将具有相邻耦合的谐振器JN+1 =.B（十二）130J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）1250.=05.==06JN Z0=2个以上1+ 12瓦Z0=<$h+1。393 + 0。677巷1 .一、44岁以上102g122克1克2一JN+1=导纳逆变器参数;GA=发电机电导;b=磁阻斜率参数。通过考虑，GA=Y0;b=（π/2）Y0.上述等式可以写成，JN+1=.B ;（Z0J1）2= B（十三）Y0Y0QAπN+Y0QAQA=2（Z J N+1第二章（十四）rJNZ0. 2QARFZ01/2现在衬底的介电常数为3.38，衬底的高度为0.508 mm，我们可以得出W/h，Z0W=2。（B−1）−ln（2B−1）+<$r −1<$ln（B−1）+0. 39比0。61公斤=6。四十四（十六）h π<$r+1<$r−1。22<$r<$rh−0。5η。WReff.W−1H3. 滤波天线步骤1开始时，说明要设计的滤波器的规格。在这些规范的帮助下，导纳逆变器JnZ0（n = 1，2，. . . ，N+1）和并联谐振器LnCn（n = 1，2，. . . ，N）可以得到。要合成的带通滤波器的规格是具有0.1dB等纹波响应的5阶切比雪夫带通滤波器，N= 5。f0= 2.45 GHz;分数带宽为0.14。Z0= 50▲由于现在已获得所有规格，我们可以通过公式确定逆变器常数，π∆Z0Jn=2μgn−1gn ， n = 2，3，. . 、.、 中文（简体）J Z=. ππ= 0。4379;JZπ∆== 0。小行星1754（二十）J3Z0π∆=2微克2克3=0。1336;J4Z0π∆2g3g4=0。一三三六（二十一）J Zπ π2克4克50的情况。1754;J Zπ π2克5克6=0。小行星4379（22）对于n = 1，. . . ，6由下式给出.=Zπ（十五）<$reff==2。小行星7175（17）=49。828▲（18）0J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）12513102Z01L=πf0= 2。068nH;C=Lf2= 2。041 pF（23）步骤2由于天线用作带通滤波器的最后一个谐振器和负载阻抗，请指定要使用的天线结构。这里，印刷T形天线用于此目的。步骤3在这一步中，获得T形天线的所有尺寸。为此，计算天线品质因数QA给出，πQA=2（Z J）2 = 8。一百九十二（二十四）0N+ 1132J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）125J5Z0=0e5个zla5500o5个zla53F0表1滤波器设计参数序列号Z0e（▲）Z0o（▲）参考Z0e参考Z0oWS181.48337.693217.315100.5270.20.13260.3139.69160.847105.8530.30.25357.5742.43153.539113.1610.320.3457.5742.43153.539113.1610.320.3569.16642.598184.465113.6090.240.25681.48337.693217.315100.5270.20.13现在，可以从曲线图获得带长度l1和辐射电阻RF因此，根据图中的QA−l1关系，带材长度l1= 08 mm，类似地，RF= 26▲。为了获得所有的天线参数，2πf0LFQ A=R;L F= 11。707nH; C F= 0。3605 pF（25）在这一步中，T形天线的所有尺寸都得到了。步骤4在这一步中，选择合适的特性阻抗Za，因为第5条耦合线的线宽和微带线之间的间隙取决于Za。如果Za> 50▲，则第5层微带线之间的间隙耦合线将太小，因此难以实际实现。因此，令Za= 40▲。现在我们可以通过使用获得逆变器常数J5rZ0rJ5Z0. 2QARFZ01/2Z一π由此可以计算出所设计的滤波天线的第三耦合线段的奇模和模特性阻抗Z0re5和Z0ro5Zr=ZZ0+JrZ+（JrZ）2π= 69。166▲（27）第三耦合线段的奇模特性阻抗为，Zr=ZZ0−JrZ+（JrZ）2π= 42。598▲（28）步骤5现在，获得第四耦合线段的偶模和奇模特性阻抗，Z0e1 =Z0e1+J1Z0+（J1Z0）2e1= 81. 483▲（29）同样地， Z0o 1= 37.693▲;Z0e2= 60.31▲;Z0o2= 39.69▲;Z0e3= 57.57▲;Z0o3= 42.43▲;Z0e4= 57.57▲;Z0o 4= 42.43▲;得到阻抗后，我们可以得到线宽和它们之间的间距，表2T形天线的设计参数。序列号天线参数值=0。4428（26）一0一0J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）1251331垂直长度（l1）08毫米2水平长度（l2）15毫米3宽度（w）1.44毫米4天线谐振频率（fr）2.51千兆赫5品质因数（QA）8.1926天线辐射电阻（RF）26▲7谐振电感（LF）11.707nH8谐振电容（CF）0.3605 pF9寄生电容（CG）0.37 pF134J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）125××||≤−- -||||见图4。五阶切比雪夫带通滤波器S11的模拟和测量诺模图的帮助表1给出了滤波器的设计参数，表2给出了T形天线的设计参数。4. 模拟结果与实测结果滤波天线制作在0.508 mm厚的FR4基板上，介电常数为3.38，损耗角正切为0.0027，如图8所示。为了避免与制造误差相关的关键问题，我们考虑了大于100 µm的尺寸。接地平面尺寸为L W = 80 mm 40 mm。使用ZVL 13矢量网络分析仪（Rode and Schwarz）和天线训练和测量系统来测量滤波天线。在本设计中，基于矩量法的电磁仿真器，IE3D。 图图4示出了5阶切比雪夫带通滤波器的回波损耗S11的仿真和测量之间的比较。S11曲线的纹波水平优于 20 dB，而在测量中获得了18 dB，这意味着更好的性能（S11 10 dB是考虑谐振频率的标准）。随着接地层的增加，带内和带外性能几乎保持不变。这意味着接地层在回波损耗方面对该带通滤波器性能的影响很这里，在通带的每一侧创建传输零点，以改善裙部选择性并提高滚降速率。图5显示了模拟和测量插入损耗之间的比较|的21| 5阶Chebyshev带通滤波器详细的测量数据表明，在带图五.模拟和测量的5阶切比雪夫带通滤波器的S21与建议的滤波天线的dB增益。J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）125135|||||| ≤ −||≥||−||||见图6。 仿真并测量了滤波天线的S11S21仅为1 dB，这对于许多应用来说是可以接受的。实际的S11和S21响应与计算结果吻合得更好.请注意，图5S21中的曲线图不包括T形天线的影响，它只包括端口1和2之间的并联耦合线路滤波器。所提出的滤波天线增益与+Z方向上的频率的关系也在图中示出。 五、 滤波天线增益对频率的响应具有尖锐的边缘选择性，并且在通带内几乎是平坦的。此外，在模拟结果中可以观察到两个辐射零点的阻带所提出的滤波增益的第一辐射零点在2.25 GHz的频率处。滤波增益的第二辐射零点在2.65GHz处。所提出的滤波天线的模拟和测量的回波损耗（S11）在图6中示出。实测中心频率为2.45 GHz，与仿真中心频率2.47 GHz非常接近。实测的3dB分数带宽为12.24%，接近于11.5%的模拟带宽。模拟结果和测量结果之间存在微小的不匹配，这是由于制造或测量系统中的误差在射频前端系统中实现滤波天线时，需要考虑地平面效应随着接地层的增加或减少，带内和带外性能几乎保持不变。带内回波损耗和插入损耗良好（即S11- 18 dB和S211dB），两个边缘处的频率选择性高。图7示出了xy、xz和yz平面中2.45 GHz频率下的辐射图案。辐射方向图是全向的，并且在整个通带上是稳定的滤波天线的仿真和实测结果非常接近，证明了所提出设计的有效性最后，我们比较了建议的滤波天线，在参考。结果示于表3中。见图7。滤波天线在yz，xy和xz平面的辐射场方向图。136J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）125−表3滤波天线参考文献号f0FBW（GHz）RL（分贝）秩序增益2.48.3-1522.3[二]《中国日报》2.4/5.84.5-18–1.1[3]第一章2.455-2026.85[4]美国2.44.5-1453.5[五]《中国日报》2.4510.2-2230.65这项工作2.4512.2-2853.5见图8。拟议滤波天线的照片。结果表明，该滤波天线具有最大的带宽和更高的选择性比工作在相同的频段。5. 结论天线和滤波器是射频前端中不可替代的两个组件，因为减小尺寸和设计低剖面结构是射频电路设计的趋势，并且正在获得动力。在这里，滤波天线与新的协同设计方法已被提出并实施。首先得到了T形天线的电路元件，然后将其用于平行耦合微带线的综合在滤波器的综合中采用了四分之一波导纳反相器，其特征阻抗不等于Z0。制作了滤波天线并进行了测试，其S =1128dB，带宽分数为12.2%，增益大于3.5dB。所提出的滤波天线是未来无线通信系统的一个很好的候选者。引用庄角，澳-地T.，钟山J.，2011. 一种使用接地插入耦合线谐振器的小型印刷滤波天线。IEEETrans. 天线传播59，3630-3637。陈旭，赵芳，延湖，加-地张伟，2013. 一种在通带内具有平坦增益响应的紧凑型滤波天线，天线和无线传播字母。IEEE12，857-860。Chin，K.S.，Chiou，Y.C.，郭，J.T.，2008年具有切比雪夫响应的平行耦合线带通滤波器的新合成。 IEEE Trans. 微W。理论技术56（7），1516-1523。Chuang，C.T.，Chung，S.J.，2009年具有选择性增强的新型印刷滤波天线。In：European Microwave Conference，（EuMC 2009），IEEE，2009.Chuang，C.T.，Chung，S.J.，2011年。 一种新型印刷滤波天线的综合与设计。 IEEE Trans. 天线传播 59（3），1036-1042。谢振英，吴正辉，妈TG 2015. 一种使用阶跃阻抗共振器、天线及无线传播字母的小型双频滤波贴片天线。IEEE14，1056-1059。Jiang，Z.H.，格雷戈里医学博士，沃纳，D. H.，2016年。可穿戴式生物遥测装置之小型圆极化整合滤波天线之设计与实验研究。IEEETrans. BioMed. CircuitsSyst.10（2），857-860.J.B. Jadhav，P.J.Deore/电气系统与信息技术杂志4（2017）125137Li，L.，Liu，G.，2016年。具有滤波响应的差分微带天线。 IEEE标准普罗帕格Lett. PP（99），1-1.Mansour，G.，兰开斯特，M. J.，霍尔，附，Gardner，P.，Nugoolcharoenlap，E.，2014. 应用滤波器综合法设计滤波微带天线。电磁学研究进展145，59-67。吴文J.，尹Z.，zuo，S.-L.，张志-是的，谢，J. -J.，2011年。现代无线通信系统中的一种新型紧凑型滤波天线，天线和无线传播信.IEEE10，1131-1134。张晓云Duan，W.，潘，Y.-M.，2015年。无附加电路的高增益滤波贴片天线。 IEEE Trans. 天线传播63，5883-5888。