應(yīng)用于WLAN的縫隙陣列天線設(shè)計

陳 潔，孫美嬌，韓麗萍

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，信息的高速傳輸為人類的通信生活帶來便捷并創(chuàng)造更多的可能性，同時對天線的寬帶、方向性等性能提出了更高的要求.由于陣列天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束控制等特性，使陣列技術(shù)在無線通信、衛(wèi)星通信、氣象預(yù)測等方面得到了廣泛應(yīng)用.

在陣列天線設(shè)計中，必須要考慮天線單元之間的互耦效應(yīng).互耦效應(yīng)會改變天線單元原有的電流路徑，從而改變其阻抗特性，影響天線陣列的性能.傳統(tǒng)的降低天線單元之間互耦的方法有：采用缺陷地結(jié)構(gòu)[1-4]、加載諧振器[5-7]以及中和線[8，9].文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種多端口微帶網(wǎng)格陣列結(jié)構(gòu)，可以靈活地將其用作單個天線或多個天線，通過缺陷地結(jié)構(gòu)減少互耦；文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)對稱多端口天線，通過位于介質(zhì)底部的缺陷地結(jié)構(gòu)抑制相鄰天線單元之間的互耦；文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一個用于WLAN的雙頻二元多輸入多輸出天線，通過在接地板上開縫隙使端口間的互耦減??；文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一個緊湊的超寬帶多輸入多輸出天線，天線單元為彎折的單極子天線，通過在接地板中間刻蝕縫隙來降低互耦；文獻(xiàn)[5]在兩個緊密放置的單極天線之間插入一維電磁帶隙結(jié)構(gòu)和開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)以抑制互耦；文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種二元雙頻微帶天線陣列，在天線單元之間插入一個不對稱環(huán)路諧振器減少互耦；文獻(xiàn)[7]通過在兩個矩形貼片天線單元之間添加平行金屬條帶降低互耦；文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一種緊湊的超寬帶多輸入多輸出天線，用中和線連接兩個天線單元以減少互耦；文獻(xiàn)[9]通過使用兩個交叉中和線連接兩個對稱的天線單元降低互耦；另外，文獻(xiàn)[10]提出了陣列天線解耦表面(ADS)的概念，分別設(shè)計了8元線極化貼片陣列天線和2×2雙極化八元線性偶極子陣列，通過ADS實現(xiàn)單元間的解耦.

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于WLAN的4元多端口縫隙陣列天線.縫隙天線單元由微帶饋線和刻蝕有彎折形縫隙的接地板組成，通過ADS改善單元間的隔離度.陣列天線可以工作在WLAN頻段，天線單元之間的隔離度大于15 dB，且具有良好的輻射特性.

1 天線設(shè)計

天線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，天線由兩層結(jié)構(gòu)組成.下層是4單元的縫隙天線，介質(zhì)基板的下表面是刻蝕有彎折形縫隙的接地板，上表面為階梯形微帶饋線，天線單元的間距D為40 mm.上層是陣列天線解耦表面ADS，由介質(zhì)基板和位于其上表面的4組金屬反射貼片組成.上下層間距H為20.9 mm.

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration of array antenna

通過調(diào)整ADS的高度和貼片尺寸，可以使反射貼片的反射波與單元間的耦合波幅度相等相位相反，達(dá)到相互抵消的目的，減小單元間的互耦.選用相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm 的FR4作為介質(zhì)基板.利用商用電磁軟件HFSS進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化后的參數(shù)為：L=160 mm,W=55 mm,ws=3 mm,ls=8 mm,ws1=1.3 mm,ls1=22.9 mm,l1=7.2 mm,l2=7.2 mm,l3=7.3 mm,g=2.2 mm,lp=16 mm,wp=20 mm,d1=2 mm.

為了說明解耦機(jī)理，研究了天線的表面電流分布.圖2 給出了激勵端口1時的表面電流分布圖.由圖2 可知，不加ADS時，較大的電磁能量從單元1耦合到單元2，導(dǎo)致隔離度較差.引入ADS后，反射波與耦合波互相抵消，從端口1到端口2的電磁能量耦合減少，實現(xiàn)良好的端口隔離.

圖2 天線表面電流分布Fig.2 Surface current distributions of antenna

2 參數(shù)分析

通過對天線進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)金屬反射貼片的長度lp、貼片的間距d1以及上下層間距H對天線性能影響較大.由于相鄰天線單元之間的互耦較強(qiáng)，考慮到天線結(jié)構(gòu)的對稱性，重點分析各個參數(shù)對S12和S23的影響.分析某一參數(shù)對天線性能的影響時，其它參數(shù)均保持不變.圖3 給出不同貼片長度lp對互耦的影響，在工作頻段內(nèi)，隨著lp的增加，單元1和2之間的互耦降低，單元2和3之間的互耦先降低后增加，當(dāng)lp=16 mm 時，單元1和2以及單元2和3之間的互耦分別小于-16 dB和-16.7 dB，性能最好.

圖3 不同lp的互耦Fig.3 Mutual coupling for different lp

圖4 給出貼片間距d1對互耦的影響，d1從1.5 mm增加到2.5 mm時，工作頻段內(nèi)單元1和2之間的互耦均低于-15 dB，單元2和3之間的互耦先降低后增加，當(dāng)d1=2 mm時，單元2和3之間的互耦最小，低于-16.7 dB.

圖4 不同d1的互耦Fig.4 Mutual coupling for different d1

圖5 不同H的互耦Fig.5 Mutual coupling for different H

圖5 給出上下層間距H對互耦的影響，在工作頻段內(nèi)，隨著H的增加，單元1和2之間的互耦降低，單元2和3之間的互耦先降低后增加，當(dāng)H=20.9 mm時，單元1和2以及單元2和3之間的互耦都小于-16 dB.

3 結(jié)果與討論

由于天線結(jié)構(gòu)左右對稱，且相鄰天線單元之間的互耦較強(qiáng)，本文重點研究天線單元1和2，單元2和3以及單元1和3的S參數(shù).圖6 為天線的仿真反射系數(shù)和隔離度.由圖6 可見，沒有增加ADS之前，天線4個端口的匹配良好，-10 dB阻抗帶寬為2.39～2.485 GHz(相對帶寬為3.9%)，包含了WLAN的2.4 GHz工作頻段，但是相鄰天線單元間的隔離度較差.增加ADS后，單元1和單元2間的互耦從-14 dB下降到-16 dB 以下，單元2和單元3間的互耦從-10 dB 下降到-17 dB，單元1和單元3間的互耦也明顯降低，低于-22 dB.總而言之，增加ADS后陣列天線在工作頻段范圍內(nèi)單元間的互耦均小于-16 dB，阻抗帶寬為2.345～2.533 GHz，相對帶寬為7.7%.

圖6 陣列天線的S參數(shù)Fig.6 S-parameters of array antenna

圖7 為天線在2.44 GHz處的仿真輻射方向圖.可以看到，沒有ADS時，天線單元的E面方向圖呈“8”字型，H面方向圖近似全向.增加ADS后，天線的輻射特性基本不變，且在最大輻射方向上的增益略有改善.

圖7 陣列天線的輻射方向圖Fig.7 Radiation patterns of array antenna

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種4單元縫隙陣列天線.通過在陣列天線上方增加ADS提高單元間的隔離度.天線單元之間的隔離度大于15 dB，且具有良好的輻射特性，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，可以應(yīng)用在WLAN工作頻段.