一種C波段基于發卡結構的低耦合貼片天線

王文君，劉長軍

四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064

隨著天線集成化的發展，要求陣列天線有高增益且滿足小型化，集約型的陣列天線被廣泛應用[1]。天線單元間的互耦效應是陣列天線固有的重要特征之一，隨著天線陣陣元之間的距離減小,互耦影響就會加劇,并影響天線陣的輻射性能[2]。在T/R組件的收發天線對中，為了保持收發天線的方向一致，收發天線的間隔很小，對降低互耦提出了很高要求。

目前，已經提出一些具有耦合抑制的解決方案。例如，文獻[2-6]使用缺陷地結構，通過在微帶天線的接地金屬板上蝕刻出不同的缺陷形狀來抑制耦合。這種方法可能會增加天線的后向輻射，導致天線的前后比下降。文獻[7-9]使用電磁帶隙結構，文獻[10-13]在單元間設計如U型或曲折線等不同形狀的諧振結構等。這些結構需要在單元間保留較大的空間，不適用于近距離貼片單元間的耦合抑制。文獻[14]使用地面開縫與在墻上添加不同的光子帶隙(photonic band gap, PBG)結構組合的形式來達到有效的耦合抑制。文獻[15]使用不同形狀的輻射貼片來提高耦合抑制。

本文提出了一種“墻”的結構，將“墻”垂直插入2個貼片單元中間，并在“墻”的介質基板兩側蝕刻出發卡結構。通過引入額外的耦合路徑，從而有效地抵消2個單元間的原有耦合，并且只占用很小的平面空間，非常適合于小間距的天線應用。

1 耦合抑制結構設計

通過在2個近距離放置的側饋微帶貼片單元之間加入特定的結構，可以在貼片單元之間引入新的耦合路徑。經過優化設計，可以抵消天線單元間的原有耦合，實現降低天線耦合的目的。

1.1 天線對設計

通過2個常規的側饋的微帶貼片天線實現一收一發的功能。天線中心頻率為5.8 GHz，天線邊緣間距為1.56 mm(0.03λ0)。天線中心間距為0.41λ0。該天線采用F4B介質基板進行加工，介質基板的相對介電常數為2.65，厚度為1 mm。按照常規貼片天線進行設計，天線的結構如圖1所示。貼片天線的等效長度為L+2ΔL。ΔL為[16]

式中：h為介質基板厚度；εeff為等效相對介電常數。

圖1 微帶天線

根據式(1)得到天線設計基本尺寸Ls、Ws、L、W、Lf、Wf、G、l1和l2分別為30.0、50.0、6.2、19.5、11.4、2.7、1.56、2.2和4.5。天線的-10 dB帶寬為5.71～5.86 GHz。由于天線距離很近，在帶寬內|S21|大于-8.1 dB。在5.8 GHz，|S21|僅為-7.2 dB。天線增益為5.5 dB。

1.2 耦合抑制結構設計

散射矩陣法是一種較為簡單直接地分析天線單元間耦合強弱的方法。通常采用Smn的值描述陣列中第m、n個單元間的耦合強弱。

2個貼片天線之間的耦合近似為[17]

式中：Z21為天線兩端口之間的轉移阻抗；Z11為一個天線端口的輸入阻抗；Z0為系統阻抗。當天線輸入阻抗匹配時，減小|Z21|是減小天線耦合的有效方法。

根據式(2)，借鑒發卡濾波器中的“發卡”結構，在天線間引入一個諧振在天線中心頻率的耦合通道。通過優化設計發卡的結構，抵消天線原來的耦合，減小|Z21|，實現高隔離度的天線對。

發卡結構的設計如下：

1)采用雙發卡結構如圖2所示，調節發卡的長度，使得發卡的諧振頻率為天線的中心頻率f0；

圖2 發卡結構的設計

2)將發卡結構引入到天線縫隙的中間，調節貼片天線的尺寸，使天線工作在中心頻率f0；

3)優化發卡的長度和對地間距，提高天線在中心頻率的隔離度。

4)檢驗天線的中心頻率和方向圖。如果不滿足要求，就重復步驟2)。

如圖2所示在天線輻射單元間加入刻蝕發卡形狀的“墻”結構。該結構同樣采用F4B介質基板制作，厚度為0.8 mm。“墻”垂直插入2個貼片單元中間，引入了額外的耦合路徑，產生一個耦合通帶，從而抵消了2個單元間原有的直接耦合。相比傳統方法中在2個單元中間加入不同的平面結構，該結構只占用了很小的天線電路板面積。其中，發卡結構的長度大約等于一個工作波長。發卡結構的基本參數L0、W0、Hw、Hm、L1和L2分別為27.0、1.0、10.0、1.5、2.0和8.0。

發卡結構的長度L0的變化會影響天線的隔離度。天線最高隔離度對應頻率隨天線長度L0的變化如圖3所示。L0增大，最高隔離度對應頻率向低頻偏移；反之則向高頻偏移。該結構可以有效地抑制天線單元間的耦合，但天線的方向圖主瓣方向會發生偏移，增益降低。

圖3 不同長度發卡結構對天線耦合的影響

天線方向圖如圖4所示。在天線單元中插入該結構會略微影響貼片天線的諧振頻率，可以通過調整貼片的尺寸來進行補償。為了改善天線的方向圖，在“墻”的底部增加接地的金屬帶，并調整了發卡結構的間距。天線的方向圖和隔離度效果均有了很大的改善。

圖4 低耦合天線的方向圖

圖5給出了采用相同尺寸的貼片天線單元的條件下，添加不同去耦合結構與不添加去耦合結構情況下的仿真|S21|曲線對比圖。結果表明，若將“墻”的兩面全部覆蓋金屬，在5.8 GHz天線的|S21|降低到-28.3 dB，相較于不添加去耦結構，|S21|減小了大約11 dB，而采用發卡結構能夠在5.8 GHz將|S21|降低到-40 dB以下。此外，加入接地金屬帶后，天線在保證只加入發卡結構能實現的耦合抑制效果的同時，天線的方向圖也有了很大的改善。

圖5 使用不同結構天線的|S21|對比

圖6給出了添加去耦合結構前后貼片天線上的表面電流分布。左側端口饋電時，在添加去耦合結構前，右側貼片上有很強的耦合電流，但在引入去耦合結構后，右側貼片上的耦合電流明顯減少。

圖6 貼片天線上的表面電流

2 測量結果與分析

2.1 測試系統

采用安捷倫公司的N5230A型號矢量網絡分析儀測量天線的S參數。采用17.16 dB標準增益喇叭天線對天線的增益進行測試。圖7給出了貼片天線和去耦結構的加工實物圖。圖8給出了低耦合天線的測試系統。

圖7 天線加工實物

圖8 低耦合天線測試系統

2.2 測試結果

仿真與實驗測試S參數的對比結果如圖9所示。

圖9 仿真與測試結果對比

加工天線的測試頻率相較于仿真結果存在一定的偏移，是加工天線的介質基板的介電常數和厚度與仿真模型設置的基板參數存在一定偏差的緣故。測試結果表明，在所設計的-10 dB帶寬內，天線單元間能達到40 dB的隔離度，符合設計的要求。

圖10給出了天線的仿真和測試方向圖對比，測試結果與仿真結果較為吻合。

圖10 仿真與測試方向圖對比

表1展示了采用不同的耦合抑制結構設計的貼片天線單元間距與耦合抑制效果對比。從表中可以看出，與本文采用結構相比，文獻[3]貼片單元間距接近，但無后向輻射增加，且-10 dB帶寬內耦合抑制提高了25%；文獻[7-15]所采用的去耦結構均不引入額外的后向輻射，文獻[7]和文獻[11]中貼片單元間距增加了4倍，耦合抑制效果分別低于本文設計結構38.5%和60%；文獻[8]中單元間距為本文的9倍，但耦合抑制效果低47.5%；文獻[15]中的單元間距略小于本文結構，但耦合抑制效果低72.5%。

表1 不同耦合抑制結構對比

3 結論

本文通過采用發卡形結構，設計了一種能實現近距離微帶天線單元間互耦抑制的結構，天線的仿真與實測結果相吻合。1)去耦合結構以犧牲微帶天線的低剖面的特性換取高效的耦合抑制效果。2)為在需要近距離布局天線單元且對天線的剖面要求較低的情況下，實現了42 dB的高隔離度，提供了新的天線設計思路。3)去耦合結構沒有增加天線的面積，也沒有引入增加額外的后向輻射，具有良好的應用前景。