具有缺陷地結構的低耦合陣列天線設計

王新延 高振斌 鄭宏興

摘要 基于缺陷地結構設計了一款低耦合陣列天線，該天線工作頻率為5.8 GHz，整體尺寸為45 mm × 55 mm × 1.52 mm。缺陷地結構呈左右兩側帶有鋸齒的條狀，組成2×1陣列的形式加載至接地表面。在天線陣元邊到邊間距為0.050 2 λ0的前提下，天線在5.8 GHz處的耦合度降低了28.8 dB，主瓣增益提升了0.3? dB，同時天線尺寸減小了0.57 mm，包絡相關系數低于0.03，滿足S11 < -10 dB的工作帶寬有170 MHz（5.722～5.892 GHz）。結果表明該缺陷地結構可以有效地抑制沿H面放置的天線表面波傳播，改善天線陣元間的互耦。

關 鍵 詞 陣列天線;H面耦合;缺陷地結構;包絡相關系數

中圖分類號 TN82? ? ?文獻標志碼 A

Abstract A low-coupling array antenna with small size of 45 mm×55 mm×1.52 mm is presented based on defected ground structure （DGS）. The antenna elements are placed in H-plane coupling and the working frequency is 5.8 GHz. The DGS unit is a strip serrated on both sides， which is inserted between antenna elements in a 2×1 array form. The reduction of 28.8dB in the mutual coupling between two antennas with 0.050 2 λ0（edge-to-edge distance）at 5.8 GHz and improvement of 0.3 dB in gain， a? shortening? of 0.57 mm in size， bandwidth of 170 MHz （5.722-5.892 GHz） in S11 < -10 dB and the envelope correlation coefficient （ECC） less than 0.03. The results show that the DGS can effectively suppress the surface wave propagation and reduce the mutual coupling between the antenna elements.

Key words array antenna; H-plane coupling; DGS; ECC

0 引言

隨著無線通信系統快速發展，用戶對信道容量和通信質量要求越來越高，微帶天線因其制作簡單、尺寸小、低剖面、單向輻射等特性常以陣列的形式應用于衛星和醫療系統[1]。微帶陣列天線充分利用空間資源在不增加帶寬和發射功率的前提下滿足用戶需求。但在有限的空間放置多個天線陣元激發的互耦效應嚴重影響了天線性能進而導致信號失真影響整個通信系統。微帶天線陣元間的互耦通常由空間波和表面波共同激發而成，文獻[2]介紹了在微帶天線中，除了由直接輻射形成的空間波以外，還可以激發表面波從而產生軸向輻射，這些表面波能夠傳播到輻射貼片外部的介質板中以地表面電流的形式傳遞耦合能量。文獻[3]研究表明當介質板較厚（厚度大于0.3×λ0×εr（?1/2）/（2×π））、介電常數較大時，激發的表面波模式數量就會明顯增多，此時表面波強于空間波。反之，空間波占主導地位。因此，針對微帶陣列天線的去耦合研究至關重要。為解決微帶陣列天線設計中存在的耦合問題，適應天線小型化的發展，通常采用缺陷地結構，這種方法對于表面波耦合的抑制是最有效、最容易實現的。相比較電磁帶隙結構[4-5]，不需要在介質中添加周期性過孔或復雜缺陷結構，加工簡便。文獻[4]將帶有通孔的蘑菇型電磁帶隙結構應用于兩單元微帶陣列天線間，在天線邊到邊間距為0.75λ0的前提下，端口間隔離度提高了8 dB。但該結構涉及打孔，這在電損耗和加工制作成本方面是不占優勢的;文獻[5]采用了一種平面的電磁帶隙結構，以兩排并列的缺陷圖案加載在接地表面，消除了對通孔的需要，但其周期性排布的結構特性增加了設計的復雜度，占用了天線間較大的空間面積，這對于逐漸受限的天線應用平臺來說，存在局限性。典型的缺陷地結構有開口諧振器[6]、H形[7]、矩形[8-9]、“I”形[10]等，其中：文獻[6]采用互補型開口諧振器來抑制沿E面放置的兩單元微帶天線間的耦合，實現了在天線間距為0.25λ0的條件下，隔離度提高10 dB的效果;文獻[8]中，將矩形縫隙結構加載至接地表面，在天線間距僅有0.058λ0時，5.8 GHz處的耦合度達到28 dB，解決了沿E面放置的微帶陣列天線的耦合。上述主要集中于E面放置的陣列天線的耦合抑制，針對H面去耦研究，文獻[9-10]分別將“雙矩形”和“I”形結構加載至天線陣元正下方的接地表面，在有效抑制沿H面放置的微帶陣列天線表面波耦合的同時，由于缺陷結構接近同軸饋源，導致天線的匹配特性受到嚴重干擾。

本文通過加載2×1陣列形式的缺陷地結構，在保證天線物理和電氣特性穩定的前提下有效地抑制了微帶陣列天線的H面耦合。采用構造帶阻濾波器的方式完成缺陷地結構的濾波特性分析和尺寸確立，其中心頻率為5.8 GHz，加載至天線接地表面。利用HFSS仿真軟件對比分析了天線特性隨缺陷地結構的加載形式和參數尺寸變化的規律，查看天線加載缺陷地結構前后的S參數、遠場輻射增益和地表面電流分布情況。仿真和實測結果表明，加載缺陷地結構后，天線在中心頻率的隔離度提高了28.8 dB，主瓣增益提升了0.3 dB，驗證了該方法的實用性。

1 缺陷地結構帶阻濾波器

采用構造帶阻濾波器的方式對缺陷地結構進行頻率特性分析，圖1a）給出了帶阻濾波器仿真模型，介質材料采用聚四氟乙烯（PTFE），其tan δ = 0.001 8，εr = 3.5，H = 1.52 mm。缺陷地結構腐蝕在介質板下表面，上表面是特性阻抗為50 Ω的微帶線，利用HFSS仿真軟件查看兩端口之間的傳輸損耗系數S21。圖1b）給出了缺陷地結構單元圖，圖中參數W2，L2，a，b，c為確定缺陷地結構的形狀，其初始取值分別為W2 = 0.5 mm，L2 = 16.85 mm，a = 2.48 mm，b = 0.7 mm，c = 3.24 mm。

接下來在保持結構其他參數大小不變的前提下，重點分析了參數b和c對缺陷地結構濾波特性的影響，分別如圖2和圖3所示。圖中帶阻諧振頻率隨兩參數尺寸的增大而降低。因此可以通過調節該參數尺寸進而改變微帶線的分布電抗以達到調節缺陷地結構帶阻頻率特性的目的。另外在5.67 GHz至5.94 GHz的頻段內，插入損耗的值均小于-20 dB，其在5.8 GHz頻率附近的S21值接近-21.8 dB。

2 陣列天線設計與分析

將缺陷地結構組成陣列加載至接地表面，設計了一款低耦合微帶陣列天線，如圖4所示。天線的工作頻率為5.8 GHz，同樣選用材質為PTFE的介質板，其尺寸為W×L。介質板下表面全部印刷有接地面;矩形貼片沿中心軸線對稱地印刷在介質板的上表面，尺寸為L1 × W1，天線陣元間距為t;矩形貼片采用同軸饋電技術沿H面耦合放置;饋電中心到輻射貼片中心間距為G，饋源內芯尺寸R = 0.6 mm，提供50 Ω匹配阻抗;缺陷地結構呈2×1陣列的形式，陣元間隔為k。

在低耦合微帶陣列天線的設計中，為了能夠使天線產生高效率輻射，其陣元的貼片尺寸和同軸饋源的位置可根據微帶天線設計理論進行估算[11]：

根據已知條件，利用式（1）至式（6）計算可得天線陣元和同軸饋電位置的初始尺寸為[W1]= 17 mm，[L1]= 13.2 mm，G = 2.8 mm。采用HFSS對天線結構進行參數掃描分析，綜合考慮其輻射增益、匹配特性、隔離度和工作帶寬等因素，最佳天線結構尺寸如表1所示。

為深入理解缺陷地結構的去耦合性能，3種加載形式如圖5所示，所有結構尺寸保持與表1一致，其中圖5a）表示將缺陷地結構單元加載在微帶陣列天線接地面的正中間位置，圖中缺陷地結構單元到貼片上下邊緣的距離均為d1 = 14.075 mm，即（L - L2）/2;圖5b）和圖5c）分別表示只保留上、下半部分的情況。

本文以常用的S參數來評價天線的去耦性能。S21隨缺陷地結構不同加載形式的變化曲線如圖6所示。這里由于天線結構左右對稱，S21與S12曲線一致，所以選取S21來表征天線陣元兩端口間的隔離度。圖中相比較沒有加載缺陷地結構，其耦合度明顯得到改善。其中中間加載去耦效果較弱;而相對于加載2×1陣列的缺陷地結構，其去耦效果遠遠不及，這主要是由于2×1陣列結構能夠被微帶天線的非輻射邊有效的激勵，改變接地表面電流分布，達到充分展現帶阻和慢波特性的目的。

為進一步理解缺陷地結構對天線性能的影響，對天線結構中幾個重要參數b、c和k進行掃描分析。圖7直觀地顯示b和c主要影響帶阻頻率特性，其表現為隨著b和c尺寸的增加，S21的諧振頻率逐漸向低頻偏移，這與文獻[3]描述的規律一致，為使微帶陣列天線在5.8 GHz處的隔離度最高，選取b = 0.7 mm，c = 2.29 mm。圖8表示k主要影響去耦深度，幾乎不影響去耦諧振頻率，在天線陣元間距t = 2.6 mm時，k取1.8 mm去耦效果最佳。

為更準確表征缺陷地結構的去耦效果，圖11描述了微帶陣列天線在5.8 GHz處加載缺陷地結構前后地表面電流分布情況。加載缺陷地后，兩端口之間地表面電流密度明顯稀疏，電流主要集中在缺陷地結構周圍，成功地阻礙了天線陣元間耦合能量的傳輸，實現了天線高隔離的特性，這里采取端口1激勵，端口2接50 Ω匹配負載的方式。

3 實驗結果

根據表1的尺寸制作出天線實物，如圖12所示。其中圖12a）表示天線的正面結構，圖12b）表示背面結構，可以看出該微帶陣列天線結構簡單緊湊，尺寸小。

利用矢量網絡分析儀測量微帶陣列天線S參數，圖13是天線S11和S21參數仿真與測量的對比曲線。實際測量結果表明天線頻率響應特性較仿真結果稍有偏移，具體指其工作頻率為5.85 GHz，滿足S11 < -10 dB的帶寬為150 MHz （5.776～5.926 GHz），天線S21的中心頻點為5.875 GHz，稍微向高頻傾斜。同時在5.8 GHz處的隔離度為-20.19 dB，這主要是由于測量環境和天線實物加工設備的精確度等造成的誤差。但總體來說，實測與仿真結果基本吻合，該天線性能優良，滿足5.8 GHz處無線局域網的頻段要求。

包絡相關系數（ECC）和分集增益（DG）是用來評估天線陣元間的相關性的量[12]。一般來說，ECC值越低代表越高的分集增益，理想狀態下分集增益的值為10 dB。利用式（7）來計算其值：

將實測和仿真得到的相關S參數值分別代入公式，計算ECC和DG結果如圖14和圖15所示。圖中ECC在整個工作頻帶內仿真和實測結果小于0.03，相應的實測和仿真的DG值均高于9.8 dB。表明該微帶陣列天線兩陣元間具有較低的相關性。

該緊湊低耦合陣列天線與已有文獻中的天線在結構的復雜度及性能方面的對比情況如表2所示。綜合考慮到天線的隔離度和結構緊湊程度，文獻[3，6，8，13]顯示在降低耦合度性能上明顯不及，對比發現文獻[14]在隔離度的提高方面較為突出，但是天線結構的復雜度有待降低。同時本文所提出的天線在間距僅有0.050 2λ0時實現了較高的隔離度，結構簡單，性能優良。

4 結論

采用一種2×1陣列形式的缺陷地結構來抑制微帶陣列天線H面表面波耦合，該天線工作在5.8 GHz，整體尺寸為45 mm×55 mm×1.52 mm。采用構造帶阻濾波器的方式對缺陷地結構單元進行特性分析，詳細討論了缺陷地結構不同加載形式和不同結構尺寸下天線頻率特性的變化情況，對比分析了加載缺陷地結構前后天線S參數、遠場輻射增益和地表面電流的分布特性。在分析論證的基礎上，完成天線結構最佳尺寸的確立，仿真與實測結果表明，加載該缺陷地結構后，在保證天線匹配特性穩定的前提下，ECC值均小于0.03，實現了低耦合微帶陣列天線的設計。

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