一种应用于WLAN频段的具有滤波特性天线的研究与设计

1、本本科科毕业论文毕业论文( (设计设计) )题目：一种应用于 WLAN 频段的具有滤波 特性的天线的研究与设计 学院： 班级： 姓名： 指导教师： 赵超 职称： 讲师 完成日期： 2014 年 6 月 11 日一种应用于 WLAN 频段的具有滤波特性天线的研究与设计摘要:无线通信领域在当代科学技术的影响下发生翻天覆地的变化。人们用功能多、体积小的设备取代了过去那种结构大，功能少的无线电子设备。本文按照带通滤波器综合过程设计的滤波天线被提出。在设计中，采用等效代替法，用RLC并联电路代换了滤波器的最后一级谐振器和负载。此滤波天线工作于2.4GHz。使用电磁仿真软件CST Design Studi

2、o对其进行仿真或测试，通过反射特性曲线和增益曲线可以看出滤波器天线兼具有滤波器以及天线两者的功能。无线通信领域对硬件高性能，高集成，低成本的发展要求，有很高的研究价值。关键词：WLAN；带通滤波器；滤波天线；滤波特性；高集成目录目录1 绪论.11.1 研究背景.12 天线的原理.22.1 天线的基本结构.22.2 天线的参数.32.2.1 天线的频带宽度.32.2.2 天线的输入阻抗.42.2.3 天线的增益.43 滤波天线的设计与分析.43.1 设计原理介绍.5 3.1.1 滤波器原理.63.2 单极子天线谐振特性分析.74 滤波天线的仿真.85 结束语.11参考文献.1211 绪论1.1

3、研究背景 在许多无线电通信系统中，射频滤波器通常连在天线之前，由于设备小型化和高集成化的发展趋势，促使着人们将天线和带通滤波器集成到一个模块上，使其在小型化和集成化的同时具备滤波特性和辐射特性，这就是所谓的滤波天线。但是，目前搞滤波天线研究的人们很少。严格意义上说不仅少，而且研究的都不是特别深。在现有的设计中，人们一般都是单独设计滤波器和天线，然后通过相互匹配的端口相连。这种办法，需要做的工作多，用的材料多，花的钱数大，实用效果不好，不便随身带，用时程序麻烦。同时，这种方法容易引起失配，进而导致其性能变差，为了避免这类问题，额外的匹配网络就必须添加到滤波器和天线之间。而这显然会增加结构的整体尺

4、寸。也有一些方法将辐射特性或滤波特性整合到一个天线或者是滤波器上。有的是在原有天线中插入导体，使其增加滤波特性。这是简单的不能再简单的办法。而另外一些则是采用的在谐波天线中创建耦合谐振腔，从而使天线具有滤波特性。这种办法跟之前相比，有了些许的进步，但还是不能说好。这些方法虽然同时实现了滤波特性和辐射特性，但是这些设计没有形成一个系统的方法，也没有太多的考虑天线和滤波器的参数。许多文献中讨论了很多将滤波器和天线整合到一个微波器件上的方法。但是这些额外的匹配结构需要占据更大的面积，且没有表现出很好的滤波性能。1.2 主要研究内容本文提出的滤波天线是在带通滤波器的基础上改进的。改进的方案是用一个可以

5、等效为并联 RLC 的天线代替了带通滤波器的最后一级谐振器和负荷。它们具有相同的性能。这样就可以在减小整体尺寸的同时，不仅使天线具有原来的辐射性能，而且使天线具有广义的切比雪夫特性。从而使天线的通带变得平坦，选择性变好，带外抑制性能增强。2 天线的原理2.1 天线的基本结构天线的结构示意图如图1所示。2 图 1 天线结构示意图如图1所示，天线是由线性单极子和加载在单极子上的开口环两部分组成。我们可以通过两种渠道来改变开口谐振环的谐振长度，其一是加载位置，其二是开口谐振环，这样可以提高带宽资源利用率。环的周长计算公式为 （1）2/gcnl在n=1的情况下，开口谐振环处在基模模式的工作状态。当n=

6、2时，代入公式可得周长，此时阻抗匹配效果更好。gcl2.2天线的参数 人们对高科技产品寄予极大的期待，天线的设计显得特别的重要。在实际应用中，要根据不同工作频带的要求来选择与之相匹配的系统，例如，具有发射功能的天线对频带要求并不苛刻；还有一些天线为了工作效率的大幅提升，必然要减小不确定因素的影响，对带宽有一定的苛刻要求，要灵活采用不同带宽的天线；就对称振子天线来说，虽然受其方向性系数和方向图的影响并不大，但其输入阻抗却在很大程度上制约着到频率变化，换言之，在这些因素中，匹配程度对其频率的影响最为明显。所以，当系统对方向图形状要求不高时，可以忽略其他因素的影响，一般只需考虑阻抗带宽的问题即可。

7、综上所述，我们可以得出如下结论：各种类型的系统、具备不同用途的天线，受带宽的影响可以忽略不计。同时，不同系统对带宽的要求标准也是不同的，所以这就需要我们根据实际需要来选择所需要的带宽，常见的带宽比如方3向图带宽，极化带宽等等。2.2.1 天线带宽天线带宽又分为：绝对带宽（） 、相对带宽、比值带宽；12fff绝对带宽的特点是：保密不严格，容易泄露，通用性不强，故在使用中不是特别受欢迎。实际应用中，我们使用较多的是相对或比值带宽，相对带宽大都表示的是较为低带宽的天线，较适合较低等、中等以下的天线；而比值带宽恰恰与之相反，一般应用于超带宽天线。2.2.2 天线的输入阻抗天线的输入阻抗是等于天线输入端

8、口两端的电压与内部阻抗之比。也就是天线输入端的阻抗 （2）inininininjXRIVZ其中，表示天线输入端的电压，表示输入端的电流，表示输入端的功inVinIinP率。天线的输入阻抗包括电抗和电阻，一般情况下是复数，而电阻则包含两个分量，即 （3）trinRRR式中，为天线的辐射电阻；为天线的损耗电阻。如果忽略电阻的热损耗，rRtR那么天线的输入电阻可以近似代表其辐射电阻。 我们通常所见到的与发射机或接收机相连接的天线，其输入阻抗与发射机的负载差距不大，可以取代。同时其也可以等效为接收机电源的内部阻抗。此外，输入阻抗还可以表征天线的其他性能。所以不难看出输入阻抗是天线的一个非常重要的参数。

9、2.2.3 天线的增益天线的增益就是将输入端的功率看作固定值，通过实地考虑天线的功率密度为多少，并计算出工作单元在理想状态下产生的信号所对应的功率密度，二者相比所得的值，该比值可以反映输入信号的密集程度。与一般的天线不同的是，随着增益的增加天线主瓣宽度变窄而不是变宽，现实生活中我们所见到的一般天线，我们可以按照如下所示公式对天线的增益进行估算。 ),32,32/(3200lg10)(HdBEdBdBiG（4）公式4中，与均表示不同主平面上天线具有的波瓣宽度。EdB,32HdB,3243 滤波天线的设计与分析滤波天线的设计，实际上是用天线来代替滤波器的最后一级，需要满足的条件如下：1滤波天线的辐

10、射特性必须和单独的天线特性一致。2天线的加入不改变滤波特性。谐振腔对天线的耦合值要等于对端口的耦合值，即滤波器最后一腔和滤波天线的最后一腔有相同的。Qe本章将以一款四阶滤波器天线的例子来说明滤波天线的设计，天线的中心频率为,相对带宽为。16.3%该滤波天线的设计步骤如下如下：GHZ4 . 2（1）设计天线尺寸；（2）计算滤波天线的带宽；（3）依据带宽设计滤波器；（4）选择与滤波器最后一端相耦合的天线尺寸；（5）修正数据，微调器件。3.1 设计原理介绍利用滤波器，我们可以筛选信号，找到自己真实需要的信号，它是一个二端口网络；它的工作原理就是在许多频段混合的复合频率信号中，使有用信号得到保护，同时

11、对其他频率的信号进行抑制或者衰减。滤波器常用指标如下1、频率范围：指的是滤波器处理信号的频段。2、通带衰减：产生的原因是由于微波元件的损耗或是残存的反射，值越小表示性能越好。3、阻带衰减或者我们可以称之为带外衰减，当滤波器处在在通带范围外的时候，而且衰减值的幅度地上升大面积的上述，我们可以称之为理想状态明显不同于非理想状态的效果。电子设备日新月异，为了满足人们对最新最精的电子设备的要求，各个生产电子通信产品的厂家对电子设备的制作标准也越来越高，要求其抗干扰的能力，当下，我们急需要解决的问题是提高电子设备的高效使用，使其更符合广大人们的要求，更为重要的是抑制谐波势在必行，与此同时，随着人们对生活

12、的追求越来越高，工作压力的越来越大，为了缓减这种竞争，我们就要生产处高质量的电子设备，保证其功能齐全，使用上简便快捷，可以让人们方便携带等要求，所以电子设备发展的方向也显然的朝着精细的方向发展，面对这一问5题，这就要求我们要超越自己。而这样的目标，把我们引向天线和带通滤波器二者共集于模块上的趋向，这一模块折射出滤波特性和辐射特性。这在现如今的工业生产，理论研究等领域都有着很大的发展前景。现代人对搞滤波天线不是特别的感兴趣，因而这方面的资料也不是特别多。在现有的设计中，人们一般都是单独设计滤波器和天线，然后通过相互匹配的端口相连。从实用角度来说，这种方法这就无法满足人们在新世纪对这个领域提出的方

13、便快捷，简单易懂的新要求，这种方法会随着时间的推移，慢慢的被遗弃。此外，从专业角度来分析，这种方法极其容易引起失配，进而导致其性能变差，为了避免这类问题，额外的匹配网络就必须添加到滤波器和天线之间。而这显然会增加结构的整体尺寸。因此，本章首先对设计滤波天线的实质功能进行了设置，而这一设置实在继带通滤波器之后的。很好地解决了上述问题。我们可以设想这样的一个方案，用一个可以等效为并联RLC的天线代替了带通滤波器的最后一级谐振器和负荷。它们具有相同的性能。这样就可以在减小整体尺寸的同时，不仅使天线具有原来的辐射性能，而且使天线具有广义的切比雪夫特性。从这样的设计会让使用者对天线的评价十分特别的高，不

14、仅表现在性能上，例如可以变得变得平坦，让我们有耳目一新的感觉上面介绍的那些参数在之后的设计中都要用到。这些参数的选择，使用起来极为方便。对做出来的东西的功能、性能、性价比等等都有无法述说的影响。我们作为学生必须要严谨治学，用端正积极的态度对待做学问中遇到的问题。我们要仔细推敲研究中遇到的每个问题，不能麻痹大意，更不能消极懈怠。对于每个参数要仔细仔细再仔细的推敲，保证自己用到的每个参数都准确无误。说到底，目前搞滤波天线研究的人们很少。严格意义上说不仅少，而且研究的都不是特别深。在现有的设计中，人们一般都是单独设计滤波器和天线，然后通过相互匹配的端口相连。这种办法，需要做的工作多，用的材料多，花的

15、钱数大，实用效果不好，不便随身带，用时程序麻烦。同时，这种方法容易引起失配，进而导致其性能变差，为了避免这类问题，额外的匹配网络就必须添加到滤波器和天线之间。而这显然会增加结构的整体尺寸。我们通过这种方法设计出来的滤波天线具有高集成，低体积，高性能的特点。其中最突出的是这款滤波天线兼具有滤波特性和辐射特性，对于无线通信领域的发展有很高的研究意义。这个设计原理有很高的准确性和合理性。有坚实的理论为依据。我6们应该努力实现，并急需努力，做更多有意义的研究。虽然如此，我们还是必须要注意注意再注意，严格按照步骤，实现预想的功能。是设计成功。3.1.1 带通滤波器原理本节提出的带通滤波器如图 1 所示。

16、滤波器由两个 SIR 谐振器和两个 UIR谐振器组成，滤波器关于中心上下左右对称，内部的两个 UIR 谐振器定义为谐振器 2 和 3，相应的我们可以对 1 和 4 做出理解。由于带通滤波器上下对称，所以在差模激励下，沿着对称线形成理想电壁，相当于虚地。我们可以看到共模激励下的晓过，跟开路如出一辙。我们可以看到谐振器 2 和 3，比较可以看到差模图1 滤波器结构图激励和共模激励下谐振器的效果的不同，差模激励的情况下我们可以看到，每个谐振器产生的效果相当于二分之一波长谐振器，而在共模激励的情况下，其产生的效果相当于两个二分之一产生的谐振器，所以共模已频是茶末一频的7两倍。对于谐振器 1 和 4，模

17、拟的是差模信号和共模信号激励下的半等效电路。3.2 单极子天线谐振特性分析单极子天线在设计中作为滤波器的最后一个协助腔。在滤波天线生成前需要建立天线的等功能电路，借助图示所提供的信息，运用式子计算出因素。下图我们可以看到天线的整体结构示意图。 图2 天线的结构图RLC电路图如图3中所示，下面的图示电路中的亮点是有两电容，跟其他的类似电路相比，这样的好处事更加大的带宽圈中阻抗特性与天线的相同。图3 天线等效电路对天线进行的仿真软件我们一般采用电磁仿真软件，这一软件可以起到很8好的模拟作用。在本章中，等效电路中辐射电阻R1 看做是带通滤波器的终端负载电阻。串联L C 电路看做为滤波器的最后一个谐振

18、器。4 滤波天线的仿真当天线的尺寸确定后，可以确定滤波器天线的带宽为16%，中心频率为2.4GHz。本章采用四阶SIR滤波器，由滤波器计算公式可确定滤波器的物理尺寸如图4所示。 图4 滤波器结构图用天线代替滤波器的最后一腔，适当补偿滤波器的最后一腔的物理尺寸后构成了滤波天线，如图5所示。 图5 滤波天线结构图上图中，介电常数值约为为3.38mm，其厚度约为0.762mm。结构图正面和背面如图6和图7所示9 图6 滤波天线结构图正面图7 滤波天线结构图背面滤波天线的反射特性曲线如图 8 所示10图8滤波天线反射特性曲线滤波天线的增益曲线如图 9 所示 图9 滤波天线的增益曲线图9给出了滤波天线的

19、增益曲线，从1GHZ到1.5GHZ随着频率的增大增益较缓慢，波动不大，从1.5GHz到3GHz，随着频率的增大增益幅度明显增大。由上述两图可以看出通过这种方法设计出来的滤波天线具有高集成，低体积，高性能的特点。其中最突出的是这款滤波天线兼具有滤波特性和辐射特性，对于无线通信领域的发展有很高的研究意义。5 结束语本设计总体上简单的介绍了滤波器和单极子天线的原理，为滤波天线的设计奠定了基础作用。通过此次设计，我懂得了很多以前不清楚的知识，掌握了滤波器和单极子天线的工作原理以及简单的公式计算。并且在所学课程的基础上，融入了自己的见解，尝试了自己的一些研究。与此同时,本设计本着精细的原则，将滤波器与天

20、线整合,为人们设计出实11用、方便的天线，设计出的天线，符合大众的意愿，满足人们的需要，使其达到兼具有滤波和辐射特性的最佳功能。 12参考文献：1 颜永庆，移动通信发展的回顾与展望，江苏通信技术，2005，21（4）：14-19.2 樊振芳，无线通信的发展与未来，中国科技信息，2005，51：45-51.3 曹志刚，钱亚生.现代通信原理.北京：清华大学出版社，19924 沈连丰，叶芝慧，胡静.信息与通信工程原理与试验.北京：科学出版社，20075丁玉美,高西全.数字信号处理.2 版.西安:西安电子科技大学出版社，20016 S.Yamashita, 赵宏锦译，无线通信中的微波谐振器与滤波器，北

21、京：国防工业出版社，2002.7 G. Goussetis and D. Budimir, “Antenna filter for modern wireless systems,”in Proc. 32nd Eur. Microw. Conf., 2002, pp. 13.8 S. B. Cohn, “Parallel-coupled transmission-line-resonator filter,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. MTT-6, no. 2, pp. 223231, Apr.1958.9 J. S. Hong and M.

22、 J. Lancaster, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. New York: Wiley, 2001.10 J. H. Zuo, X. W. Chen, G. R. Han, L. Li, andW.M. Zhang, “An integrated approach to RF antenna-filter co-design,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 8, pp. 141144, 2009.11 Giuseppe Macchiarella, Stefano

23、Tamiazzo, Design Techniques for Dual-PassbandFilters, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 2005, 53(11) 13Applied to Research and Design ofWLANbandantennawithfiltering characteristicsAbstract: The enormous changes occurred in the field of wireless communications under the influence of contemporary science and technology. People with multi-function, small equipment to replace the old, big structure, less-capable wirel