微帶貼片天線隔離度方法的研究綜述

武警工程大學研究生管理大隊 余 陽

微帶貼片天線隔離度方法的研究綜述

武警工程大學研究生管理大隊 余 陽

隨著天線逐漸向小型化方向發(fā)展，天線間距離越來越近，互耦現(xiàn)象變得尤為突出。因此降低天線間的耦合，增加天線的隔離度顯得尤為重要。文章主要對近年來研究人員研究的增加微帶貼片天線隔離度的各種方法進行了歸納與總結，為日后進一步的研究提供參考性意見。

微帶貼片天線；隔離度；耦合

0 引言

微帶貼片天線具有體積小、重量輕，能同有源電路集成，便于獲得圓極化、雙極化和雙頻段等多功能工作的優(yōu)點，而廣泛應用于無線電設備中，尤其是飛行器上和地面便攜式設備中，且天線布局的越來越密集，與天線密集布置相伴的是嚴重的電磁干擾問題。電磁干擾主要傳輸途徑是天線間的耦合。常用隔離度來定量表征這種耦合的強弱程度，它定義為一個天線發(fā)射功率與另一天線所接受功率之比，用dB來表示。縱觀增加天線隔離度各種方法，可以將它們分成三類，分別是正交極化法、抵消法和改變天線布局。本文僅就上述幾種方法做一簡要介紹和分析對比。

1 正交極化法

即是接收與發(fā)射天線采用相互正交的極化方法，增大天線的隔離度。雙極化貼片天線就是此種方法的一個典型的例子。一般雙極化貼片天線有兩個端口，兩端口發(fā)射的是兩種正交的極化波，雖然雙極化貼片天線種類很多，但根據(jù)它們采用的饋電技術可以分為三類，分別是用同軸共軸、用孔徑耦合和用微帶線進行饋電的雙極化貼片天線[1]，如圖1所示。

圖1 (a)同軸共軸(b)孔徑耦合(c)微帶線饋電的貼片天線

圖2 端口隔離度測試結果圖

文獻[1]用仿真軟件對這三種雙極化貼片天線的隔離度和交叉極化水平進行測試，結果如圖2和圖3所示，為保證公平性，天線的中心頻率均為2.8GHz。將結果歸納至表一中，可以看出三種貼片天線均有一定的隔離效果，但孔徑耦合饋電型貼片天線無論從隔離度還是極化水平均比另外兩種天線的效果好。當然，此極化貼片天線只是一種最基本的結構，現(xiàn)在極化貼片天線結構多種多樣，有的還將幾種饋電方式結合起來一起使用，且不再是單層或雙層結構，而是多層結構的微帶陣列天線，隔離效果也更好[2-4]。

表1 三種極化貼片天線隔離度和極化水平測試結果對比

3 抵消法

抵消法的原理是：在兩天線之間人為開辟一耦合通道，使之與原耦合相互抵消，達到隔離效果。比較常見的一種方法是通過設置饋電網(wǎng)絡來抑制天線之間的相互耦合。饋電網(wǎng)絡去耦的原理是利用陣元間產(chǎn)生的耦合與新引入的饋電網(wǎng)絡相互抵消，從而降低耦合度。比較常用的方法是在兩天線的中間引入產(chǎn)生與耦合電流相反的隔離陣子，陣元之間的耦合與隔離陣子所形成的附加耦合正好抵消。有兩種方式可以產(chǎn)生反向電流：一種是通過引用中和線技術，用一條金屬帶連接兩個天線單元，人為地引入與耦合電流的相位相反的電流[6]；另一種是改變隔離陣子的形狀，使其產(chǎn)生反向電流[5,7-9]。

圖4 方向耦合隔離的饋電結構

如圖4所示，文獻[9]在天線的陣元之間引入了一個隔離陣子，其形狀呈十字型，饋電結構產(chǎn)生的電流方向分析如圖5所示。由于天線關于x-z平面是完全對稱的，理想差分信號作用于端口1，使得電流關于x-z平面也是完全對稱的，且在端口2上產(chǎn)生的激勵的幅度和相位也是相同的。由于虛擬交流地線的存在，抑制了共模信號，也使得差分信號不能耦合到端口2。理論上，此時天線端口的隔離度是無限大的。但實際上，理想的差分信號是無法產(chǎn)生的且也不可能制造出完全對稱的天線。因此天線之間雖不能達到完全隔離，但這種饋電結構能大大降低天線的隔離度。

圖5 天線的饋電和輻射結構的電流方向分析圖

文獻用仿真軟件對隔離度測試結果如圖6所示，從圖中可以看出，隔離效果非常好，基本都在-40dB到-55dB之間。

圖6 端口隔離度測試結果圖

4 改變天線的結構

為了提高微帶貼片天線的隔離度，我們已發(fā)現(xiàn)出許多結構能有效降低微帶天線間的耦合，例如電磁帶隙(EBG)結構去耦，人工導向介質(zhì)（SRR）結構去耦等。這些結構去耦的原理也比較相似，均是在天線介質(zhì)中加入這些結構，而它們能夠阻礙或抑制表面波的傳播，達到去耦的目的，從而增大天線間的隔離度。周期性的EBG結構在某一頻段范圍內(nèi)會產(chǎn)生一定的帶阻或帶通效應，能有效抑制表面波的傳播[10]。SSR結構則能夠產(chǎn)生電諧振，諧振會抑制某些頻段的電磁波，從而阻礙表面波的傳播。還有最新提出來的非周期RAMC結構，是一種新型球面投影人工平面材料，類似于一個圓柱形金屬反射器可強聚焦電磁波，降低天線交叉極化水平，增加隔離度。[11]

除金屬板的結構，隨之接地板與微帶線之間的電場分布就改變了，從而對某一頻段電磁波起到濾波作用，因此提高了天線間的隔離度。例如文獻[11]指出六邊形貼片天線的端口隔離度很高，在8GHz的中心頻率下隔離度能達到40dB[12]；還有近年來缺地陷結構（DGS）是一種比較熱門、使用較多的結構，許多天線設計都采用DGS結構增加天線的隔離度，而且形狀各異，有H型的，有并列鋸齒形狀的，這里就選擇其中的一種DGS結構，對其進了這兩種方法外，還有僅單純地改變天線行簡要地介紹，并分析其隔離效果[13-15]。

缺地陷結構（DGS）是1999年韓國學者提出來的，在天線的金屬接地板上開出一條啞鈴型縫隙，由于這種結構簡單又便于實現(xiàn)，不需要開辟其他的空間單元或是增加額外電器件，就能夠?qū)崿F(xiàn)天線振元間的互耦，受到人們高度重視。如圖7所示，文獻[15]在微帶貼片天線中采用了DGS結構，并對天線的隔離度進行了測試。

圖7 使用DGS結構的微帶貼片天線示意圖

由于天線結構的對稱性，S21=S12。因此。耦合系數(shù)只需要看S12即可。對天線建模仿真，結果如圖8所示。

圖8 DGB結構天線的耦合系數(shù)圖

由圖8可知，天線陣陣元之間的耦合系數(shù)達到-35dB,去耦效果明顯，得到了很好的隔離效果。

5 結論

綜合以上各類方法，現(xiàn)將每種方法的優(yōu)缺點總結如下表2。總體來說，增加微帶貼片天線的方法很多，方法不單一，并且綜合使用各類方法可以得到更好的隔離效果。當然這些方法不僅適用于微帶天線，對其他天線和天線陣也適用，但是要想設計出一款經(jīng)濟化、微型化、高集成化而且隔離效果良好的天線，還需在此基礎上不斷地探索創(chuàng)新。

表2 三種方法優(yōu)缺點分析對比表

[1]Mirmozafari M．An Overview of Dual Polarized Isolated Antennas[J]．IEEE-2016 Semiconductor Conference Dresden:Techno logy,Design,Packaging,Simulation and Test,SCD 2016-International Conference,Workshop and Table-Top Exhibition,2016:1893-1894．

[2]時亮,趙國強,陳卓著,等．Ku波段口徑耦合寬帶雙極化微帶天線[J]．微波學報,2012(S2):57-60．

[3]李偉文,陳曉建,顏聰泉,等．高端口隔離度雙極化貼片天線設計[J]．微波學報,2015(01):26-30．

[4]趙璐．雙頻段雙極化微帶天線陣列設計[J]．微波學報,2015(04):16-19．

[5]Yu Y．Design of a Highly Isolated Two-element Three-frequency Patch Antenna Array[J]．IEEE-2016 Semiconductor Conference Dresden:T echnology,Design,Packaging,Simulation and Test,SCD 2016-International Conference,Workshop and Table-Top Exhibition,2016:2187-2188．[6]Yantao Yu L Y X L．Mutual Coupling Reduction of Dualfrequency Patch Antennas Using a Simple Microstrip H-Section[J]．IEEE-2015 Semiconductor Conference Dresden:Technology, Design,Packaging,Simulation and Test,SCD 2015-International Conference,Workshop and Table-Top Exhibition,2015:388-389．

[7]劉樹國．微帶天線陣的耦合及去耦研究[D]．山東科技大學通信與信息系統(tǒng),2015．

[8]Xue Q,Liao S W,Xu J H．A Differentially-Driven Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole Antenna[J]．Antennas & Propagation IEEE Transactions on,2013,61(1):425-430．

[9]Seyed Mohammad Emamimeybodi H．Mutual Coupling Reduction in Microstrip Patch Antenna Arrays by using Planar EBG Structure in X Band[J]．IEEE-2013 Semiconductor Conference Dresden:Techno logy,Design,Packaging,Simulation and Test,SCD 2013-International Conference,Workshop and Table-Top Exhibition,2013:1-5．

[10]Yang W．High-Efficiency High-Isolation Dual-Orthogonally Polarized Patch Antennas Using Nonperiodic RAMC Structure[J]．IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,2017:887-892．

[11]Farahbakhsh A．Reduction of Return Loss and Mutual Coupling in Two-Dimensional Microstrip Array Antennas by using Hexagonal Patches[J]．IEEE-2010Semiconductor Conference Dresden:Technol ogy,Design,Packaging,Simulation and Test,SCD 2010-International Conference,Workshop and Table-Top Exhibition,2010:319-322．

[12]Y．Hajilou H R H A．Mutual Coupling Reduction Between Microstrip Patch Antennas[J]．IEEE-2012 Semiconductor Conference Dresden:Tec hnology,Design,Packaging,Simulation and Test,SCD 2012-International Conference,Workshop and Table-Top Exhibition,2012:1-4．

[13]Acharjee J．Mutual Coupling Reduction between Microstrip Patch Antennas by Using a String of H-Shaped DGS[J]．IEEE-2016 Semiconductor Conference Dresden:Technology,Design,Packaging,Si mulation and Test,SCD 2016-International Conference,Workshop and Table-Top Exhibition,2016:1-3．

[14]Mahmoud S．A Compact Highly Isolated Two Ports Microstrip Antenna Based on Defected Ground Structure for WLAN/WiMAX Applications[J]．Progress In Electromagnetic Research Symposium (PIERS),2016:4380-4385．