微帶貼片天線收發(fā)去耦結(jié)構(gòu)研究

季英俊，程崇虎

（1.南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210003；2.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003）

由于具有自適應(yīng)歸零[1]和增加信道容量[2]等特點，自適應(yīng)陣列和多輸入多輸出（MIMIO）無線通信系統(tǒng)受到人們廣泛的關(guān)注和重視。為了實現(xiàn)這些優(yōu)異的性能，解決緊密相鄰的天線間同頻干擾問題就顯得尤為重要。

已經(jīng)有很多關(guān)于改善天線之間的隔離度的研究。在文獻(xiàn)[3-6]中，通過使用缺陷地結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)隔離度的提升，然而這種結(jié)構(gòu)破壞了背部地的完整性，增加了天線背部的輻射。采用電磁帶隙[7-9]（EBG）來限制天線之間表面波傳播，但由于其需要大量的空間，增加了幾何復(fù)雜性，導(dǎo)致使用條件受限。[10]提出了一種對稱共面條帶結(jié)構(gòu)增強隔離，但由于分離壁垂直于天線陣列的平面，是通過犧牲天線陣列的平面性來提升元件之間的隔離度[11-13]。提出了中和技術(shù)，該技術(shù)需要用連接線來創(chuàng)造額外的場去抵消原有的耦合場。此外[14-15]，中的去耦網(wǎng)絡(luò)方法也可以實現(xiàn)去耦效果，利用饋電網(wǎng)絡(luò)代替了在天線間插入去耦結(jié)構(gòu)實現(xiàn)去耦，但是復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計增加了設(shè)計的難度。

文中設(shè)計了一種5條微帶交指線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)類似于平行耦合線結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生帶阻特性。電磁仿真軟件仿真結(jié)果表明，以5.8 GHz為中心，30 dB隔離帶寬可達(dá)33 MHz，最大隔離度可達(dá)49.5 dB，相比文獻(xiàn)[16]提出的3條平行耦合線去耦結(jié)構(gòu)，30 dB隔離帶寬提升了57%（12 MHz），隔離度提升了56.6%（17.9 dB），符合5條微帶交指線去耦結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

1　天線的去耦設(shè)計

本文的去耦結(jié)構(gòu)是在文獻(xiàn)[16]所提出的去耦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，圖1顯示文獻(xiàn)[16]中加入3條微帶交指線結(jié)構(gòu)的二元微帶天線陣的幾何結(jié)構(gòu)，微帶交指線結(jié)構(gòu)在兩個微帶貼片天線中間起到帶阻濾波的作用，能夠?qū)奶炀€A1上耦合到天線A2的場濾除，因而可有效的增強天線間的隔離度。文章[16]對3條微帶交指線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計算，仿真表明30 dB隔離帶寬為21 MHz，在5.72 GHz處取得最高隔離度31.6 dB。該去耦結(jié)構(gòu)的具體尺寸詳見表1所示。

表1　微帶天線陣結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1　加入3條微帶交指線結(jié)構(gòu)的天線陣

本文在文獻(xiàn)[16]中設(shè)計的3條微帶交指線的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種以5.8 GHz為中心頻率，30 dB隔離帶寬為33 MHz，且在5.8 GHz處取得最大隔離49.5 dB的5條微帶交指線結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)不會改變貼片天線陣未加去耦時的方向圖。

在饋電方式、天線大小、間距以及介質(zhì)基板均不變的情況下，僅改變?nèi)ヱ罱Y(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)性能的提升，改進(jìn)后去耦結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2　改進(jìn)微帶交指線尺寸

圖2　加入5條微帶交指線結(jié)構(gòu)的天線陣

如圖2所示，加入5條微帶交指線去耦結(jié)構(gòu)的二元天線陣的結(jié)構(gòu)。兩個采用同軸底饋、工作在5.8 GHz的微帶天線沿H面緊密擺放，天線邊到邊間距ds和中心間距dc分別為 3.6 mm（0.07λ0，λ0為5.8 GHz對應(yīng)的自由空間波長）和 15.6 mm（0.3λ0）。天線介質(zhì)基板材料選用RO4003，相對介電常數(shù)為3.55，厚度為1.524 mm。5條微帶交指線上的過孔半徑r為0.1 mm。

2　仿真結(jié)果和分析

在HFSS中，參照如圖2所示的模型建模并進(jìn)行仿真計算。仿真過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)條帶長度L1約為四分之一個微帶線波長，且L1、L2和L3取不同長度、間隔寬度時，兩天線之間的隔離度能得到比較滿意的結(jié)果。

圖3顯示了長度L1=6.6mm時，條帶長度比L1/L2/L3對隔離度的影響。結(jié)果表明當(dāng)L1/L2/L3為1.99時，在5.8 GHz取得最優(yōu)隔離效果。

圖3　不同L1/L2/L3比率下的S21結(jié)果

圖4　不同L1長度下的S21結(jié)果

圖5　不同d1長度下的S21結(jié)果

圖4顯示了長度L1與隔離度間的關(guān)系。在固定長度比（L1/L2/L3=1.99）的情況下，隨著條帶長度的增加，隔離頻帶向低頻移動，且隔離效果越佳，但當(dāng)條帶長度L1大于6.6 mm時，隔離效果又會隨之變差。因此，L1=6.6 mm是5.8 GHz工作頻率的隔離效果對應(yīng)的最佳長度。

另外如圖5所示，天線間的隔離度同樣受條帶間隔d1影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在固定長度比和L1的情況下，最優(yōu)隔離度對應(yīng)的d1為0.20 mm。

圖6　無、三條、五條交指微帶線情況二元天線陣的s11圖

圖6對5條微帶交指線去耦結(jié)構(gòu)、文獻(xiàn)[16]中3條微帶交指線去耦結(jié)構(gòu)以及無去耦結(jié)構(gòu)的二元天線陣的匹配情況進(jìn)行比較。結(jié)果顯示5條線結(jié)構(gòu)的匹配最好，其次是3條線結(jié)構(gòu)，最后是無去耦結(jié)構(gòu)。10 dB匹配帶寬依次為310 MHz（相對帶寬5.3%）；220 MHz（相對帶寬為3.8%）；220 MHz（相對帶寬為3.8%）。

圖7　無、三條、五條交指微帶線情況二元天線陣的s21圖

圖7對5條微帶交指線去耦結(jié)構(gòu)、文獻(xiàn)[16]中3條微帶交指線去耦結(jié)構(gòu)以及無去耦結(jié)構(gòu)的二元天線陣的隔離度進(jìn)行對比。相比無去耦結(jié)構(gòu)，3條和5條微帶交指線具有明顯的去耦效果。文獻(xiàn)[16]中去耦結(jié)構(gòu)的30 dB隔離帶寬為21 MHz，并在5.72 GHz處達(dá)到最大隔離31.6 dB，與無去耦結(jié)構(gòu)相比，隔離度最大提升了23.6 dB。而5條微帶交指線結(jié)構(gòu)30 dB隔離帶寬達(dá)到33 MHz，且在中心處取得最大隔離49.5 dB，較3條微帶交指線結(jié)構(gòu)，30 dB隔離帶寬提升了57%（12 MHz）隔離度提升了56.6%（17.9 dB）。

圖8　天線A1在5.8 GHz處E平面方向圖

圖8顯示了加入5條微帶交指線結(jié)構(gòu)與未加入任何去耦結(jié)構(gòu)時，天線A1在5.8 GHz處的E平面方向圖之間的對比曲線。圖中虛線是未加任何去耦結(jié)構(gòu)時的數(shù)據(jù)曲線，實線是加入5條微帶交指線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)曲線。

圖9　天線A1在5.8 GHz處H平面方向圖

圖9顯示了加入5條微帶交指線結(jié)構(gòu)與未加入任何去耦結(jié)構(gòu)時，天線A1在5.8 GHz處的H平面方向圖之間的對比曲線，圖中虛線是未加任何去耦結(jié)構(gòu)時的數(shù)據(jù)曲線，實線是加入5條跳微帶交指線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)曲線。

由圖8、9可知，加了5條微帶交指線去耦結(jié)構(gòu)后H面的最大方向向左偏移了250，E面的最大方向在00；而未加去耦結(jié)構(gòu)時H面的最大方向因為耦合的影響向右偏移了250，天線E面的最大方向在00。因此，去耦結(jié)構(gòu)對天線的輻射方向圖有一定的改善作用尤其改善了天線H面方向圖在-250到250范圍內(nèi)的增益的平坦度，此時天線增益為8.2 dBi。

3　實物制作與測試分析

參照表1和表2的結(jié)構(gòu)尺寸，加工制作了含有5條微帶交指線結(jié)構(gòu)的二元微帶天線陣，實物照片如圖10所示。

圖10　加入5條微帶交指線去耦結(jié)構(gòu)的二元天線陣的仿真和實測S參數(shù)以及實物圖

測試結(jié)果表明天線的10 dB匹配帶寬為260 MHz（相對帶寬4.5%），略小于仿真結(jié)果310 MHz（相對帶寬5.3%）。實測S21在5.82 GHz處取得最大隔離36.1 dB，30 dB去耦帶寬18 MHz，略小于仿真結(jié)果33 MHz。原因可能是實際加工存在一定的誤差，導(dǎo)致隔離帶寬和最大隔離效果未達(dá)到預(yù)期。

4　結(jié)束語

針對緊密擺放的微帶天線間存在同頻干擾問題，設(shè)計了5條微帶交指線去耦結(jié)構(gòu)。該方法的機理是利用微帶交指線結(jié)構(gòu)的濾波特性，將耦合場進(jìn)行濾除，從而提高緊密擺放微帶天線間的隔離度。由HFSS仿真結(jié)果可知這種結(jié)構(gòu)的天線帶寬、隔離度都符合要求。在保持良好的天線輻射性能情況下，還能對天線的輻射方向具有一定矯正作用。實測結(jié)果也驗證了其去耦效果。雖然實測與仿真存在一定的差距，但通過提高加工精度和去耦結(jié)構(gòu)的魯棒性，能夠解決實測和仿真之間存在差距的問題。