第20卷第7期2022年7月
太赫兹科学与电子信息学报
Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology
Vol.20，No.7
Jul.，2022
吴秋彤，严佳雯，都琳，张月园，邹辉，徐慧慧，刘志伟*
(华东交通大学信息工程学院，江西南昌330013)
摘要：提出了一种基于双层结构的双频滤波天线，工作在n77/n78/n79频段。该天线由上层基板的2个矩形辐射贴片和下层基板的阶跃阻抗谐振器、2个“L”型枝节组成。2块介质基板材料 喷射混凝土用速凝剂均为FR4，且通过探针相连。上层介质基板上的2个矩形辐射贴片激发2个谐振模式，其中高频谐
振用于形成n79频段，低频谐振用于形成n77/n78频段。为了获得双通带滤波效果，在下层介质基
板中引入阶跃阻抗谐振器，在2个频段间形成带外辐射零点。此外，下层基板上的“L”型枝节可
以引入额外的谐振点来扩大天线的带宽。该结构经过高频仿真软件(HFSS)优化，其仿真结果和测
试结果均在3.37~3.53GHz(n77/n78)，4.55~4.64GHz(n79)2个频段范围内，可用于6GHz以下5G的无
线通信应用。
关键词：滤波天线；双频天线；边带选择性；5G
中图分类号：TN822文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2020402
A dual-n
band filtering antenna for application of n7777/n/n7878/n/n7979bands WU Qiutong，YAN Jiawen，DU Lin，ZHANG Yueyuan，ZOU Hui，XU Huihui，LIU Zhiwei* (Department of Information Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi330013，China) Abstract
Abstract：：A dual-band filtering antenna based on a double-layer structure working in the n77/n78/n79 frequency bands is proposed.The antenna consists of two rectangular radiation patches on the upper
substrate,step impedance resonators and two L-shaped branches on the lower substrate.The two dielectric
substrates(FR4)are connected by probes.The two rectangular radiation patches on the upper dielectric
substrate excite two resonant modes,among which the high-band resonance is employed to form the n79
frequency band,and the low-frequency resonance is employed to form the n77/n78frequency band.In order
to obtain the double bandpass filtering effect,a Step Impedance Resonator(SIR)is introduced into the lower
dielectric substrate to form an out-of-band radiation nulls between the two frequency bands.In addition,the
L-shaped branches on the lower substrate can introduce additional resonance points to expand the bandwidth
of the antenna.The structure is optimized by High Frequency Simulation Software(HFSS).Its simulation
results and test results cover the two frequency bands of3.37~3.53GHz(n77/n78)and4.55~4.64GHz(n79).
The proposed antenna can be used for sub-6GHz5G wireless communication applications.
Keywords
Keywords：：filtering antenna；dual-band；high selectivity；the fifth-Generation(5G)
随着5G移动通信技术的不断发展，各类5G移动终端设备应运而生。为了追求移动通信的便捷性，移动终端的尺寸越来越小，留给射频前端的空间也更加有限。设计一个功能完善、兼容多频段且小型化的射频前端模块，是当今研究的热点。天线和滤波器是射频前端模块中必不可少的核心部件，滤波天线能够将天线和滤波器合为一体，不仅能在收发电磁波信号的同时兼具滤除干扰信号的功能，还能实现射频前端的小型化，未来发展前景广阔。 设计滤波天线的方法是把天线当作滤波器最后一级谐振器做综合设计[1-4]，文献[4]中三级滤波器的最后一级用Г型单极子天线代替，通过调节阻抗匹配，达到良好的谐振效果和滤波效果。另一种方法是将
滤波器与天线文章编号：2095-4980（2022）07-0678-06
收稿日期：2020-08-19；修回日期：2020-09-20
基金项目：江西省科技创新杰出青年人才基金资助项目(20192BCBL23003)；江西省自然科学基金资助项目(20202BAB202004)；国家自然科学基金资助项目(61601185)
*通信作者：刘志伟
线路板制作
把双频天线当作最后一阶谐振器与双模滤波器共同作用[10]；采用双频滤波天线的融合设计方法，如文献[11]中天线中多模枝节馈电，两片U型贴片耦合，无滤波结构也能产生滤波效果；文献[12]设计的双频滤波天线以阵列形式排列，控制间距产生辐射零点；文献[13]提出了H型缝隙双频滤波天线，H型缝隙用于产生频段间辐射零点，对称开放式的短轴耦合馈线激励有很好的带外抑制，遵从融合设计法则；还有学者采用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)结构[14]，多层结构相互作用构成多频滤波天线；也有学者采用HTS工艺设计多频滤波天线[15]，实现了小型化，但工艺要求很高。考虑到其固有的频率分离能力，共享孔径天线是不错的选择[16-17]。不同天线的馈电网络和辐射元件是分开的，以支持不同的频带，但结构很复杂，孔径的原理分析困难。
本文对一个应用5G三阶双频滤波天线的设计方法进行研究。在5G的工作频段划分中，n77(3300~ 4200MHz)、n78(3300~3800MHz)、n79(4400~5000MHz)频段作为5G系统在6GHz下的主要工作频段。5G的频段还有毫米波频段n257(26500~29500MHz)等，一根天线同时覆盖到常用波段和毫米波频段有一定难度。基于滤波天线综合设计的方法加工测试了此款双频滤波天线，实现了天线的双频滤波功能。
1滤波天线设计
1.1天线结构
设计的天线如图1所示。天线包括工作在上层介质基
板上的辐射贴片和加工在下层介质基板上的馈电电路。
其中上下层采用的是介电常数为4.4的FR4介质基板，基
板尺寸为60mm×50mm，上层厚度0.5mm，底层厚度
1mm，两基板间的间隙为2.5mm。在微带线与贴片间采
用探针连接，激励贴片。上层辐射贴片有2片，相互耦
合，在贴片上有一长方形的空槽线。下层是阶跃阻抗谐
振器(SIR)和一对L型枝节，整个结构采用50Ω同轴线从
介质基板背面馈电。天线的参数如表1所示。
为设计得出双频，对贴片进行设计，经过理论计算与
仿真，得出长为32mm，宽为31.3mm大贴片和28mm×
4mm的小贴片相互耦合作用，有2个频段的谐振。为协
调阻抗匹配，在大贴片上做出一长为16mm，宽为2mm
的长方形的空槽。在2块介质基板间的是空气介质，采用
半径为0.6mm的探针相连，激励贴片。下层介质基板下
表面接地，上表面的SIR微带线可以起到在2个频带边沿
产生辐射零点的作用，得到滤波效果，2个L型枝节匹配
电路，会使得低频增加谐振点，在带宽增加的同时保证了
天线在3~6GHz频率范围内实现良好的滤波性能。介质基
板靠下侧中央采用同轴馈电的方式激励天线工作。为清晰
说明所设计的结构，给出了如图2所示天线的各个层的详
细示意图。
1.2天线参数分析
为了进一步阐述所提出的设计，通过高频仿真软件
(HFSS)对设计进行参数分析和优化。采用在贴片上开槽的
方式调节阻抗匹配，槽线的长度和位置则直接影响匹配的
性能，图3是仿真贴片上槽线的长度变化时谐振的变化情
况，图4是槽线的位置变化时谐振变化情况。
从图3可以看到，槽的长度a对2个频段的匹配都有
影响，从10mm开始慢慢增大时，频段匹配度开始变好，
增至16mm，再增大到20mm时，谐振点向上，匹配变
Fig.2Exploded view of each layer
图2天线的各层结构
(a) top view(b) side view
Fig.1Configuration of the proposed antenna
图1天线示意图
表1天线的参数(单位：mm)
Table1Optimized parameters of proposed antenna(unit:mm)
parameter
value
parameter
value
a
16.0
t
2
16.0
b
1
2.0
t
3
2.0
s
1二维力传感器
8.0
t
4
3.7
s
2
16.5
p
2
4.0
t
1
32.0
l
1
32.0
p
1
28.0
l
2
31.3
太赫兹科学与电子信息学报
第20卷订舱系统
差，所以选择16mm 。图4是槽距底边的长度d 的变化来表示槽的位置变化，槽的位置对于第1个频段的影响更大，当d 为4.5mm 时，第1个频段2个谐振点分离且匹配效果不是很好，当d 开始缩减，两谐振点之间的距离也开始缩减，在d =3.5mm 时，匹配达到了较好的状态。d 继续减小，两频段的谐振都向上偏移，匹配开始变差，所以此处选择3.5mm 的长度。
从增益的变化图来分析滤波效果。图5反映了设计过程中不同结构的增益的比较。可以看到，当天线结构是简单的贴片时，增益在频段边缘趋于平缓。加上简单的底部枝节，适当调节其长度，低频工作频段外有明显的变化，边缘陡峭，具有一定选
择性，高频工作频段外变化不明显，需要继续调节尺寸和结构。当将枝节改成SIR 微带并加上L 型枝节，再不断调整枝节长度和SIR 的长度以及它们之间的距离，改善谐振匹配的同时，在低频带边沿辐射零点出现，增强了低频抑制，高频带外也产生了一个辐射零点，有效地提高了选择性。
图6展示了不同频点的贴片上电流分布情况。图6(a)显示了在3.1GHz ，贴片上电流上下相向，抵消了由异向电流引起的辐射，因此产生了辐射零点。在工作频点3.455GHz 上，贴片上的电流沿长边所在的X 轴正向流动，一个主辐射方向工作。而在
工作频点4.74GHz 上的模式电流是沿贴片短边所在的Y 轴方向，且方向一半向Y 轴正向，一半向Y 轴负向。在图6(d)中可以看到在5.42GHz 处贴片电流沿Y 轴反向分布，且整体的电流微弱，在该频点上的辐射得到抑制，实现辐射零点。
2实物测试与结果分析
为了验证所提出的设计，加工了工作在n77/n78和n79频段的双频滤波天线，并通过微波暗室测试，如图7所
示。图8给出了S 11和增益的仿真和测试比较图。可明显看出有良好的双通带滤波响应，谐振的中心频率有所偏
3
4
钢帘线
5
6
-35
-30-25-20-15-10-50
5
10f /GHz
traditional patch added branches proposed antenna
r e a l i z e d g a i n /d B i
Fig.5Gain of the proposed antenna for different structures
图5设计过程中不同结构下的增益对比
Fig.6Current distribution diagrams of proposed patch antenna
图6贴片天线结构在不同频点的电流分布图
Fig.3Simulated S 11of antenna with length of slot
图3槽的长度与S 11的关系Fig.4Simulated S 11of antenna with position of slot
图4槽的位置与S 11的关系
680
第7期
吴秋彤等：一种应用于n77/n78/n79频段的双频滤波天线
差，但在低频段保持了2个谐振点，分别为3.455GHz 和3.53GHz ，高频段谐振点为4.74GHz 。在3GHz 开始时有些下降，测试的工作频段分别在3.43~3.6GHz 和4.6~4.71GHz ，差别主要由于加工误差、两层介质基板间的缝隙和实验误差所致。测试增益在低频段最高达到了6.38dBi ，在高频段达到了1.02dBi ，频段间辐射零点的位置有些许偏移，仿真数据的误差主要由SMA 接头、同轴线焊接和测试环境导致。两频段间的带外增益达到了-27dBi 以下，实现带内工作互不干扰的目标。低频段前的增益和高频段后的带外增益也稳定降到-15dBi 以下，产生辐射零点，具有边带选择性，体现良好的滤波特性。
3个不同的谐振点处的E 面和H 面的仿真和测试的辐射方向图如图9所示。在3个谐振点，最大增益方向有所不同。在3.455GHz 和3.53GHz 2个中心频率都是X 轴方向增益最大，具有良好的定向辐射特性。在4.74GHz ，可从E 面看出最大辐射方向为±45°，且E 面是对称的，仿真和测量结果具有一致性。
3结论
小型生物反应器
本文提出了一种基于双层结构的双频滤波天线，通过同轴馈电的方式，激励天线在n77/n78和n79频带内工
作。微带SIR 和天线结合，得到2个频段间以及带外的辐射零点，使得工作不相互干扰，具有边带选择性，达到双通带滤波效果。天线和SIR 在两块不同板上工作，使用探针进行连接。双L 型枝节协调阻抗匹配，在第一个工作频带中实现双阶滤波，天线带宽增加。测试的增益低频段为6.38dBi ，第二段单阶频段达到了1.02dBi 。整个滤波天线的设计，实现了良好的滤波效果和所需增益。该天线具有优良的滤波响应和良好的辐射模式，是5G 系统的理想选择。
-40
-35-30-25-20-15-10-505-40-35
-30-25
-20-15-10-50
5f /GHz
r e a l i z e d g a i n /d B i
|S 11|/d B
Fig.8Simulated and measured S −parameters and realized gains of the proposed antenna
图8仿真与测试结果的比较
(a) top layer of the top substrate (b) bottom layer of the bottom substrate (c) Xin-Yi-SY 24
Fig.7Photographs of the fabricated dual -band filtering antenna and its measurement environment
图7天线的原型和测试环境
681
太赫兹科学与电子信息学报
第20卷
参考文献：
[1]CHUANG C T,CHUNG S J.A compact printed filtering antenna using a ground-intruded coupled line resonator [J ].IEEE Transactions on Antennas Propagation,2011,59(10):3630-3637.
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[3]
WU Weijun,YIN Yingzeng,XIE Jiaojiao.Low ‑cost microstrip filter-antenna with a monopole like radiati
on pattern for RF front end [J ].Microwave and Optical Technology Letters,2012(54):1810-1814.
180
(a) E -plane at 3.455 GHz
(c) E -plane at 3.53 GHz
(e) E -plane at 4.74 GHz
(f) H -plane at 4.74 GHz
(d) H -plane at 3.53 GHz
(b) H -plane at 3.455 GHz
270
-35-30-25-20-15-10-505-40-35-30-25-20-15-10-505
-30-25-20-15-10-505-35-30-25-20-15-10-505
-
30-25-20-15-10-505
-35-30-25-20-15-10-505
-30-25-20-15-10-505-35-30-25-20-15-10-505
-30-25-20-15-10-505
-35-30-25-20-15-10-505
-35-30-25-20-15-10-505-30-25-20-15-10-505
Fig.9Simulated and measured radiation field of the antenna
图9天线仿真与实测方向图
682
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