高隔離度雙極化孔徑耦合天線設(shè)計(jì)

摘 要： 采用多層貼片、垂直雙H型孔徑耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種高隔離度雙極化孔徑耦合微帶天線。主要通過實(shí)測分析不同貼片間距以及孔徑大小對天線隔離度的影響，確定了最佳貼片間距和孔徑尺寸。經(jīng)Agilent E5062A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測，得出天線兩個端口的回波損耗在2.4～2.5 GHz能達(dá)到-16 dB以下，在工作頻段內(nèi)雙端口隔離度優(yōu)于-31 dB，與仿真結(jié)果吻合較好。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于制作，且可作為雙極化基站陣列天線單元。

關(guān)鍵詞： 高隔離度； 孔徑耦合； 雙極化； 微帶天線

中圖分類號： TN821?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0085?03

Design of dual?polarized aperture coupling antenna with high isolation

WANG Dan?feng1， WANG Zhi?hong1， ZHANG Hai?li2

（1. School of Microelectronics and Solid?state Electronics， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China；

2. Electromechanical and Rail Transit School， Zhejiang Fashion Institute of Technology， Ningbo 315211， China）

Abstract： A dual?polarized aperture coupling micro?strip antenna with high isolation is introduced which using a structure of multi?layer patches and vertical dual?H shape aperture coupling. The influence of different distances between patches and different aperture sizes in the antenna isolation is analyzed through the test， and the best patches distance and aperture size is determined. The test result of VNA Agilent E5062A shows that the return loss in both ports is lower than -16 dB when the frequency is between 2.4 GHz and 2.5 GHz， and the isolation of dual ports is better than -31 dB in the work frequency range. The test result coincides well with the simulation results. The design is simple， low cost， easy to be made， and can be used as the unit of dual?polarized base station array antennas.

Keywords： high isolation； aperture coupling； dual?polarization； micro?strip antenna

0 引 言

當(dāng)今，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到越來越廣泛的發(fā)展。目前最為熱門的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)莫過于長距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3G和近距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)WiFi。鑒于WiFi產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展及廣闊的應(yīng)用前景[1]，本文將設(shè)計(jì)一個工作在2.4～2.5 GHz頻段的高隔離度雙極化孔徑耦合天線，適用于WiFi陣列天線單元。為實(shí)現(xiàn)無縫上網(wǎng)及改善通信質(zhì)量，近年來，雙極化天線逐漸流行，其原因主要是它可以提供極化多樣化，以減少接收信號的多徑衰落；并且頻率復(fù)用可以加倍無線通信系統(tǒng)的容量[2]；而且可以將一對正交極化端口分別用作接收端和發(fā)射端，實(shí)現(xiàn)雙工操作。當(dāng)工作在收發(fā)雙工模式時，雙極化天線同時發(fā)射或接收兩個正交極化的電磁波，因而要求兩種極化端口之間有良好的隔離[3]。天線隔離度是指一個天線發(fā)射信號，通過另一個天線接收的信號與該發(fā)射信號的比值。改善天線隔離度已成為諸多無線電系統(tǒng)天線中經(jīng)常遇到的問題。通常要求天線隔離度在-28 dB以下。

本文綜合運(yùn)用孔徑耦合技術(shù)和雙線饋電技術(shù)設(shè)計(jì)出了一種適用于WiFi工作的高隔離度、雙極化天線，通過實(shí)測分析不同貼片間距以及孔徑大小對天線隔離度的影響，確定了最佳貼片間距和孔徑尺寸，達(dá)到了較高的回波損耗和隔離要求：天線兩個端口的回波損耗在2.4～2.5 GHz能達(dá)到-16 dB以下，在工作頻段內(nèi)雙端口隔離度優(yōu)于-31 dB，可滿足陣列天線系統(tǒng)的需要，便于組成大型陣列。且該頻段天線具有很大需求及發(fā)展空間，研究此頻段內(nèi)的天線有很好的現(xiàn)實(shí)意義。與其他設(shè)計(jì)[2?6]相比，該設(shè)計(jì)單元在結(jié)構(gòu)上更講究對稱，也更簡單；所得結(jié)果更加理想，尤其體現(xiàn)在隔離度上。

1 天線設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線采用H型孔徑耦合結(jié)構(gòu)，孔徑的設(shè)計(jì)是微帶天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，孔徑的大小和形狀影響著饋電層和輻射層之間的耦合強(qiáng)度。該孔徑層由FR4介質(zhì)覆銅板組成，接地板和饋線分別位于介質(zhì)板的上表面和下表面。輻射貼片用塑膠螺絲和尼龍柱支撐，位于介質(zhì)板上方。中間全以空氣填充，相當(dāng)于減小了上層介質(zhì)板的平均相對介電常數(shù)，降低了微帶天線的[Q]值，提高了天線的增益[4]。為了減少H型槽所引起的背向輻射，在離接地板約[14]波長處加了一塊金屬反射板（中間同樣用塑膠螺絲和尼龍柱連接和支撐），這也有利于提高天線的增益[5]。設(shè)計(jì)所選用的介質(zhì)板材為FR4，其相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02，厚[h=]1.6 mm。

圖1 天線橫截面結(jié)構(gòu)圖和天線的具體結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)采用的是孔徑耦合的饋電方式，這種方式克服了傳統(tǒng)饋電方式帶來的電感效應(yīng)和饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射等缺點(diǎn)。其不需要在基片上打孔，便于制作；使得饋電層與輻射層完全隔離，避免了饋電網(wǎng)絡(luò)的輻射干擾；且易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[6]。在天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，該設(shè)計(jì)采用相同的對稱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行正交排布，從而形成雙極化特性。

根據(jù)縫隙耦合微帶天線的傳輸線法[7]，可初步確定天線的幾何尺寸（包括貼片尺寸、2個縫隙尺寸以及饋線長寬）。

2 仿真與實(shí)測結(jié)果分析

根據(jù)上面的布局設(shè)計(jì)，利用HFSS電磁仿真軟件，對天線進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。天線仿真模型如圖2所示。激勵通過Lumped port經(jīng)微帶饋入，該饋電方式易于組成大型陣列。

通過利用微波仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真，以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測，駐波結(jié)果如圖3（a）所示，得出天線兩個端口的回波損耗都在-16 dB以下（兩端口回波損耗基本一致），能達(dá)到較高的通信要求。隔離度結(jié)果如圖3（b）所示，可以看出，在整個頻段內(nèi)達(dá)到-31 dB以下，具有良好的端口隔離度。從圖3中可以看出，可能由于加工、環(huán)境等因素，實(shí)測結(jié)果沒有仿真結(jié)果理想，但仍能吻合較好，達(dá)到較高要求。

圖2 天線HFSS仿真模型

圖3 天線駐波的仿真及實(shí)測結(jié)果比較

通過實(shí)測分析不同貼片間距以及孔徑大小對天線隔離度的影響，該實(shí)測是在基本滿足回波損耗的條件下進(jìn)行的，即回波損耗低于-14 dB。

對不同貼片間距和不同孔徑尺寸的天線隔離度分別進(jìn)行研究，當(dāng)輻射貼片和孔徑貼片間距離分別為[d1=]7 mm，[d2=]6 mm，[d3=]5 mm，[d4=]8 mm，[d5=]9 mm，孔徑寬分別為[L1=]2 mm，[L2=]3 mm，[L3=]1 mm時，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測，得出不同貼片間距和不同孔徑尺寸天線的端口隔離度見表1。

表1 天線不同貼片間距和不同孔徑尺寸的實(shí)測端口隔離度 dB

[＼[d1=]7 mm＼[d2=]6 mm＼[d3=]5 mm＼[d4=]8 mm＼[d5=]9 mm＼[L1=]2 mm＼-31＼-30＼-27＼-27＼-25＼[L2=]3 mm＼-27＼-25＼-24＼-25＼-23＼[L3=]1 mm＼-27＼-26＼-25＼-26＼-24＼]

取[d=]7 mm，[L=]2 mm，得出不同孔徑貼片和反射板之間距離[D1=]27 mm，[D2=]28 mm，[D3=]29 mm，[D4=]26 mm，[D5=]25 mm時的實(shí)測天線端口隔離度見表2。從表中比較可以看出，當(dāng)輻射貼片和孔徑貼片間距離為7 mm，H形孔徑寬度為2 mm，輻射貼片和放射板間距離為27 mm時，能獲得最大隔離度值，為-31 dB，而且此時回波損耗能夠達(dá)到-16 dB。

表2 天線不同孔徑貼片和反射板之間距離的實(shí)測端口隔離度 dB

[[D1=]27 mm＼[D2=]28 mm＼[D3=]29 mm＼[D4=]26 mm＼[D5=]25 mm＼-31＼-30＼-28＼-26＼-25＼]

工程中常被采用過的有效改善隔離度的措施主要有：阻擋法（即在電磁耦合通道上設(shè)置障礙阻擋電磁耦合）、正交極化法（即2副天線采用相互正交的極化）、抵消法（即在兩天線之間人為開辟另一耦合通道，使之與原耦合相互抵消，實(shí)現(xiàn)隔離效果的增強(qiáng)）以及恰當(dāng)?shù)奶炀€布局（增大天線間距可提高天線隔離度，但實(shí)際上經(jīng)常遇到限制）[8]。

針對文中所示天線設(shè)計(jì)，基于微帶天線以及雙極化天線的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，僅正交極化法和恰當(dāng)?shù)奶炀€布局能有所體現(xiàn)：該天線采用正交極化法，天線極化正交，位置正交；另外合理恰當(dāng)?shù)奶炀€布局主要體現(xiàn)在孔徑貼片與輻射貼片的距離以及孔徑貼片與反射板之間的距離上，這也正是該天線取得較高隔離度的關(guān)鍵。

3 結(jié) 論

該高隔離度雙極化孔徑耦合天線經(jīng)仿真及實(shí)測，其回波損耗及隔離度都能達(dá)到較好效果，兩個端口的回波損耗在2.4～2.5 GHz能達(dá)到-16 dB以下，在工作頻段內(nèi)雙端口隔離度優(yōu)于-31 dB，可作為WiFi天線單元，用于陣列天線。而且2.4～2.5 GHz為各國共同的ISM頻段，無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)均可工作在此頻段上，故該頻段基站天線有很大需求及發(fā)展空間，研究該頻段內(nèi)的天線具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。而且該天線為雙極化天線，結(jié)果理想，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于制作，可滿足較高的陣列天線單元要求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：王丹鳳 女，1987年出生，湖南益陽人，碩士。主要研究方向?yàn)槲炀€、濾波器等射頻和微波無源器件。

王志紅 女，1966年出生，四川成都人，碩士，教授。主要研究方向?yàn)殡娮颖∧づc集成器件的表、界面微區(qū)電磁性能表征研究。

張海力 男，1978年出生，河南開封人，碩士，講師。主要研究方向?yàn)樯漕l和微波模塊、無線通信。