一種復(fù)合結(jié)構(gòu)在天線耦合技術(shù)中的研究*

趙 雪，夏晨蹊，楊 晨

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

在通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，移動通信設(shè)備已經(jīng)成為與人類生活密不可分的重要組成部分。為了適應(yīng)更加高效的工作與生活節(jié)奏，便攜電子設(shè)備為此集成了越來越多的功能。其中，通信功能是此類設(shè)備最基本也是最重要的部分，包括NFC、Bluetooth、GSM和4G等[1]。

為了實(shí)現(xiàn)移動通信設(shè)備的多功能性，天線是不可或缺的重要一環(huán)。但是，根據(jù)移動通信所涉及的領(lǐng)域不同，所需的天線結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行與之匹配的設(shè)計(jì)。例如，陣列天線適用于雷達(dá)界面散射，喇叭天線可用于定向單角度入射電磁信號。本文從寬帶通信信系統(tǒng)入手，研究復(fù)合結(jié)構(gòu)中天線耦合的增強(qiáng)與多頻段所需的條件關(guān)系。

電磁信號之所以能被傳輸和接收，最基本的原理就是天線的耦合。通過調(diào)整天線的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以適當(dāng)增強(qiáng)天線耦合的強(qiáng)度，使天線適用于不同的工作環(huán)境[2]。

但是，隨著移動終端設(shè)備的微型化與多功能性，在電子設(shè)備體積相對減少的同時，需鋪設(shè)更多天線以增添諧振頻段來滿足功能的拓展。如此會導(dǎo)致天線在接收外部諧振的同時，其內(nèi)部也存在因?yàn)樽陨碇C振造成互擾的非理想耦合現(xiàn)象，以致產(chǎn)生信號間的干擾與能量損耗，通常將這一類耦合稱之為弊耦合。所以，本文針對以上問題，設(shè)計(jì)了一種以MIMO（Multiple Input Multiple Output）為基礎(chǔ)的天線，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重構(gòu)、優(yōu)化，使其在移動通信頻段（GPS/GSM1800/LTE2300/WLAN）有著良好的工作效率，且能夠大大降低移動設(shè)備終端內(nèi)部的弊耦合現(xiàn)象[3]。

1 天線耦合的概念及其分析方法

1.1 耦合基本概念

電磁耦合的根本現(xiàn)象：當(dāng)空間中存在兩個或者兩個以上的天線時，其中某一天線受到來自自身或外界高頻信號的激勵向空間輻射電磁能量，周圍在同一諧振頻率的天線會因此耦合同頻的電磁能量，同時向周邊輻射，如圖1所示。

圖1 天線耦合關(guān)系

從圖1可以看出，若給予移動終端1一個來自內(nèi)部的激勵，其天線會向空間輻射電磁能量信號。同時，有著相同諧振頻率的移動終端2與移動終端3，會因?yàn)轳詈闲?yīng)各自生成與自身匹配的電磁能量，并向外部輻射自身的電磁能量。

這一過程中，移動終端之間的感應(yīng)是通過耦合技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的，且通常將這類能被人們利用的耦合效果稱為利耦合。但是，移動終端間因耦合而產(chǎn)生感應(yīng)的同時，終端內(nèi)部因?yàn)樘炀€的寬頻帶等原因會產(chǎn)生一種干擾的耦合，而這種耦合會導(dǎo)致信號的穩(wěn)定性降低、頻率偏移等諸多不利后果，因此此類耦合也被稱為弊耦合。本文的目的是通過設(shè)計(jì)天線的復(fù)合結(jié)構(gòu)，保存天線利耦合的同時，盡力消除其中的弊耦合[4]。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解到分析此類天線耦合問題最常用的方法為散射矩陣法，其適用軟件是以有限元分析算法為基礎(chǔ)的HFSS。

1.2 散射矩陣法即S參數(shù)分析法

在微波網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，通過對入射波與反射波強(qiáng)度參數(shù)分析，可以得出該參數(shù)的耦合特性[5]。為了研究耦合特性，可以通過散射矩陣示意。散射矩陣示意圖如圖2所示。

圖2 散射矩陣

將入射條件定義為ai，反射條件定位為bi，則歸一化入射波與反射波之間的關(guān)系式成立如下：

S為參數(shù)分析法中歸一化二端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣。但是，在傳統(tǒng)天線S參數(shù)分析法中，通常將S11與S22分別視為T1端口與T2端口的歸一化回波損耗，通過分析得出相應(yīng)天線內(nèi)部的響應(yīng)特性。因此，天線的耦合與響應(yīng)特性分析的最明確方法是從S參數(shù)入手。

本文以單極子天線為例，通過在HFSS模擬環(huán)境中為天線增添補(bǔ)償結(jié)構(gòu)或構(gòu)造缺陷部分，計(jì)算仿真得出結(jié)果，從而進(jìn)一步討論分析存在補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和部分缺陷的復(fù)合操作情況下，天線內(nèi)部的耦合現(xiàn)象[6]。

2 模擬分析方法

2.1 基礎(chǔ)天線

首先，模擬分析了一種當(dāng)下應(yīng)用比較廣泛的單極子天線的復(fù)合衍生結(jié)構(gòu)，如圖3所示，并將其命名為Ⅰ型天線。

圖3 Ⅰ型天線結(jié)構(gòu)

通過HFSS軟件仿真，可測得此天線S參數(shù)，如圖4所示。

圖4 Ⅰ型天線S11參數(shù)

根據(jù)圖4中數(shù)據(jù)，結(jié)合回波損耗計(jì)算式，可計(jì)算天線性能參數(shù)電壓駐波比，其中回波耗損為：

式中RL即回波損耗（Return Loss），S11為HFSS軟件所得參數(shù)，k為系統(tǒng)反射系數(shù)。另外，根據(jù)式（5）計(jì)算反射系數(shù)k，然后根據(jù)式（6）：

計(jì)算在該頻段范圍內(nèi)的最大電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio）VSWR=1.28，能滿足正常工作所需；S11＜-10 dB的部分落WiFi入頻段內(nèi)，滿足日常所需基本應(yīng)用[7]。同時，參照相對帶寬公式為：

式中fH和fL分別為S11＜-10 dB的最高頻率與最低頻率，求得ffoc=15%屬于寬帶通信。

2.2 一階結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線頻率響應(yīng)頻段的單一性意味著設(shè)備功能的單一性。若需要讓天線適應(yīng)更多的應(yīng)用場合，必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為此，本文提出第一種適應(yīng)方案——缺陷結(jié)構(gòu)。在呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的天線前統(tǒng)一規(guī)定，當(dāng)單極子天線正面向上時，令左側(cè)端口為端口1，右端口命名端口2。缺陷結(jié)構(gòu)如圖5所示，并將其命名為Ⅱ型a類天線。

圖5 Ⅱ型a類天線結(jié)構(gòu)

通過將標(biāo)注部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行HFSS模擬仿真，可以得出其S參數(shù)。同Ⅰ型結(jié)構(gòu)對比S11與頻率關(guān)系如圖6所示。

圖6 S11參數(shù)對比

可以看出，不僅Ⅰ型結(jié)構(gòu)落入WiFi頻段的可耦合部分得以保存，還出現(xiàn)了新的可耦合頻段。因此可以得出假設(shè)，以Ⅰ型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的天線，適當(dāng)缺陷部分結(jié)構(gòu)，會令其在更多的頻段產(chǎn)生可耦合的特性。雖然采用結(jié)構(gòu)缺陷的方法可令天線形成新的可耦合頻段，但若對原天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償，又會得出另一種結(jié)果，如圖7所示。

圖7 Ⅱ型b類結(jié)構(gòu)

對Ⅰ型天線采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)姆椒?，圖中標(biāo)注部分即為補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，并將其定義為Ⅱ型b類。在HFSS軟件模擬構(gòu)建此結(jié)構(gòu)，設(shè)置邊界條件后進(jìn)行求解仿真，得到S參數(shù)，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 S11參數(shù)對比

對比于Ⅰ型天線S參數(shù)結(jié)果（虛線部分）可以看出，因?yàn)樵械鸟詈项l段存在以上補(bǔ)償結(jié)構(gòu)使得Ⅰ型天線的響應(yīng)被明顯放大，所以，又可得出一種假設(shè)，即適當(dāng)增添天線補(bǔ)償部分也可以從另一角度拓展天線的性能。

2.3 復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上述是對基礎(chǔ)天線采用一次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果。綜合以上，如果合理將部分缺陷和增添補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈ诤蠎?yīng)用于天線，經(jīng)過重新優(yōu)化，復(fù)合天線就會在原天線的基礎(chǔ)上，汲取二者的性能優(yōu)勢，這便是天線復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在提出這一概念后，本文將Ⅱ型a類缺陷與Ⅱ型b類補(bǔ)償融合作用于Ⅰ型天線，得到Ⅲ型天線，模擬結(jié)構(gòu)如圖9所示。

通過對Ⅲ型天線進(jìn)行參數(shù)仿真，得到結(jié)果與Ⅰ型天線的對比，如圖10所示。

圖10虛線部分為Ⅰ型原天線S參數(shù)響應(yīng)結(jié)果?？梢钥闯?，在Ⅰ型基礎(chǔ)上，采用部分缺陷以及結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合設(shè)計(jì)后，Ⅲ型天線在維持原有Ⅰ型天線的基礎(chǔ)性能不變的情況下，結(jié)合了Ⅱ型天線多頻段與強(qiáng)耦合的優(yōu)勢。可見，適當(dāng)設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)并優(yōu)化，對天線耦合結(jié)果有著重要影響。

圖9 Ⅲ型天線結(jié)構(gòu)

圖10 S11參數(shù)對比

采用與Ⅰ型天線同樣的分析方法，可以分別求得 VSWRw1=1.27，VSWRw2=1.03。 其 中，w1、w2分別表示Ⅲ型天線的低頻段與高頻段部分。從結(jié)果分析，Ⅲ型天線在以上兩頻段范圍內(nèi)皆滿足系統(tǒng)條件。根據(jù)式（7）計(jì)算其相對帶寬分別為ffocw1=17%、ffocw2=8.5%，且都屬于寬頻段范圍。

2.4 電流分析

天線產(chǎn)生耦合效應(yīng)的根本原因是貼片天線表面電流的運(yùn)動。通過HFSS軟件可便捷地模擬出天線貼片表面的等效電流，因此可以利用HFSS得到以上4種天線模擬電流分布，如圖11所示。

圖11 天線表面電流

圖11 中Ⅰ型天線是未經(jīng)任何處理的基礎(chǔ)天線?？梢钥闯觯捎谒膯螛O子結(jié)構(gòu)部分的感應(yīng)電流過強(qiáng)，因此在相同能量的情況下，I型天線更多地將其轉(zhuǎn)化為電流的熱耗而溢散。另外，在未做任何結(jié)構(gòu)優(yōu)化的情況下，端口1近端也會存在電磁溢散現(xiàn)象，以致于出現(xiàn)I型天線低頻段耦合較弱的現(xiàn)象。

天線的輻射效率為：

式中，pt為天線的輻射功率，pr熱溢散功率，PA為入射總功率。

當(dāng)天線的輸入功率PA一定時，貼片天線中的電流越大，熱損溢散現(xiàn)象越嚴(yán)重。結(jié)合圖11（a）以及圖5、圖7更能清楚對比得出這一結(jié)論。

當(dāng)Ⅰ型天線以缺陷部分為基礎(chǔ)重新設(shè)計(jì)，如Ⅱ型a類所示，電流強(qiáng)度分布如圖11（b）所示，可以明顯看出端口1處的溢散電流減少。因此，天線能保存更多的能量用于輻射耦合，最終表象是拓展了低頻段處的耦合強(qiáng)度。

將Ⅰ型天線重新設(shè)計(jì)后為Ⅱ型b類，貼片電流強(qiáng)度圖如圖11（c）所示。結(jié)合圖8可知，天線部分頻段的輻射能力被增強(qiáng)，此結(jié)果與散射矩陣法測算相符合。

最后，將Ⅱ型天線a類、b類的部分缺陷與結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方法相融合構(gòu)成復(fù)合天線。從電流感應(yīng)圖中可以看出，單極子天線的熱溢散電流削弱，輻射能量得以保存，是天線具有強(qiáng)耦合性的基礎(chǔ)。

3 數(shù)據(jù)實(shí)測

將HFSS軟件中構(gòu)造的4種天線以CAD格式數(shù)據(jù)形式導(dǎo)出，并用CAD軟件將其重新標(biāo)注進(jìn)行實(shí)物加工。所有模擬天線實(shí)物如圖12所示。

圖12 天線實(shí)物模型

將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀器分別激勵源和接收源置與天線兩端連接，并以0～3 GHz頻率對其進(jìn)行掃描檢測。將4種天線實(shí)測數(shù)據(jù)優(yōu)化后列出結(jié)果，如圖13所示。

圖13 四種天線S11參數(shù)圖

通過對圖13中結(jié)果對比分析可以得出，四種天線的實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬環(huán)境中基本吻合，即理論結(jié)論適用。另外，若對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，可令響應(yīng)頻率向應(yīng)用所需方向進(jìn)行偏移。最后，綜合四種天線電壓駐波比與相對帶寬數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 天線電壓駐波比與相對帶寬

通過對比三種不同的重構(gòu)設(shè)計(jì)，可以看出其各自優(yōu)勢。Ⅱ型b類因其有著強(qiáng)可耦合特性，能夠在弱信號地區(qū)如高層建筑、偏遠(yuǎn)山林，地穴峽谷等地發(fā)揮其獨(dú)有的特性。而經(jīng)過復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的Ⅲ型天線，可以更好地配備于多功能通信設(shè)備中。

4 結(jié) 語

在高頻回路中，天線的結(jié)構(gòu)往往決定其特性。如果對基礎(chǔ)的天線結(jié)構(gòu)采用部分缺陷或者補(bǔ)償?shù)牡姆椒ㄟM(jìn)行微調(diào)整，可以使天線耦合的能力和效率得到很大改善。同時，若將類似Ⅱ型天線的兩種或者以上設(shè)計(jì)理念相融合，構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)天線，能令天線集成更多的可耦合特性，從而豐富其應(yīng)用功能。