用于5.8 GHz頻段的低互耦圓形微帶陣列天線

司晴晴，曾慶生，石 源，張言東

(南京航空航天大學 航天學院，南京 210016)

0 引 言

隨著移動無線通信技術的不斷發展，傳統的單輸入單輸出(Single-Input Single-Output, SISO)技術已不能滿足通信系統和眾多用戶的應用需求。近年來，多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技術受到越來越多研究者的關注。大多數MIMO天線系統是由兩個或兩個以上天線單元組成的三維結構[1-2]。微帶貼片天線具有體積小、重量輕、剖面低、制作簡單等優勢，在MIMO天線系統中得到廣泛應用。

在不犧牲額外頻譜或功率的情況下，MIMO技術可以擴展信道容量并提高數據傳輸速率[3]。然而，在越來越多以飛行器為載體的雷達和通信設備中，天線系統的小型化引起了陣元間嚴重的互耦和強烈的相關性，從而影響天線的方向圖、增益、工作帶寬等輻射性能[4]。因此，在5G微基站天線系統、星載相控陣天線以及其他一些MIMO無線通信系統中，減小耦合是一個亟待解決的問題[5]。

為了減小電磁干擾和輻射單元間的互耦，大多數去耦技術采用在陣元間加載去耦結構，例如LC電路[6-7]、耦合諧振器電路[8-9]、傳輸線電路[10-11]、寄生散射元件[12-14]、中和線[15-16]、分裂環[17]、去耦匹配網絡(Decoupling and Matching Networks, DMN)[18]等。一些由四個單元組成的陣列天線采用將各單元正交放置的措施以增強隔離度[19-22]。文獻[23]設計了一種不需要加載去耦結構的新型自去耦天線，通過平衡天線單元間的電感耦合和電容耦合，使得互耦降低20 dB以上，但該天線的尺寸比較大。

電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)結構具有頻率帶隙特性，能抑制表面波傳播，將其引入到陣列天線中能有效降低陣元間的互耦，提高天線增益[24-28]。文獻[24]分析了一種經典的三維蘑菇狀EBG結構，但兩個陣元間引入的這種經典EBG數量太多，不便于制作和加工。除此以外，缺陷地結構(Defected Ground Structure, DGS)也是一種常用的去耦結構，文獻[29-31]分別使用了新型分形DGS、S型周期性DGS和鋸齒狀DGS，實現去耦合的目的。

上述都是基于單一去耦方法的研究進展。近年來，不少學者提出將不同的去耦方法相互結合，從而達到更好的去耦效果[4, 25, 32]。

為了有效降低陣元間互耦，改善天線系統的輻射性能，本文設計了一種工作在5.725～5.85 GHz頻帶的去耦合圓形微帶貼片陣列天線。通過采用類E型EBG結構和弧形縫隙DGS兩種去耦結構結合的方式，最終陣列天線在工作頻段內的互耦降低45.4 dB，包絡相關系數(Envelope Correlation Coefficient, ECC)小于0.001，而且具有穩定的方向圖。考慮工程可行性，所設計的去耦天線體積較小，結構簡單，去耦結構易于設計，具有較好的工程應用價值。

1 天線設計與分析

1.1 參考陣列天線設計

根據文獻[33]，具有相同工作頻率的圓形貼片天線和矩形貼片天線相比，前者的面積更小，因此圓形貼片天線作為陣列單元有利于天線的小型化。未引入去耦結構的參考陣列天線結構，如圖1所示。圓形微帶貼片天線單元印刷在長L=50 mm、寬w=25 mm、高h=2 mm、損耗角正切為0.02、相對介電常數為4.4的FR4介質基板上。

圖1 參考陣列天線示意圖Fig.1 Schematic diagram of reference array antenna

圓形貼陣元的半徑為

(1)

根據式(1)[33]，結合軟件仿真優化可得，工作在5.8 GHz的每個圓形貼片陣元的半徑為R=6.74 mm。兩個圓形貼片天線單元均采用同軸探針進行饋電，饋電點與圓形貼片中心之間的距離S=2.34 mm。兩個貼片之間的最短距離d=10 mm (即0.19λ,λ為工作波長)。

1.2 加載EBG結構的陣列天線設計與分析

從光子帶隙(Photonic Band Gap, PBG)演進而來的EBG，大多數由金屬或介質與金屬的混合結構組成[28]。二維和三維的EBG結構都是一種特殊的高阻抗表面，在其頻率帶隙內無法傳播任何表面波。因此，通常在陣列天線中引入周期性排列的EBG結構，在其產生的頻率帶隙內降低陣元間的相關性和互耦，提高隔離度[26]。

參考天線陣元選用圓形微帶貼片天線，設計了一種由類E型金屬貼片和連接該貼片與地板的金屬通孔構成的類E型EBG結構，如圖2所示。EBG單元是在蘑菇狀EBG基礎上，考慮在介質板上層金屬貼片周圍增加了三個枝節，其中左、右兩邊的弧形枝節可以抑制更多因左、右兩邊天線陣元產生的表面波，而中間的矩形枝節則會進一步提高抑制表面波傳輸的效果。

圖2 EBG單元結構圖Fig.2 EBG unit structure diagram

色散圖是一種研究和分析各種EBG結構帶隙特性的常用方法[26]。利用電磁仿真軟件(High Frequency Structure Simulator, HFSS)對圖2(a)所示的類E型EBG單元進行仿真分析，得到其色散曲線如圖3所示，其中橫軸表示在一個特殊布里淵三角區的三個主要方向，即Γ到X、X到M和M到Γ。從色散圖可知，模式1與模式2之間的頻率帶隙區域為4.2～6.5 GHz，該頻段包含了本文所提出陣列天線的5.8 GHz工作頻帶，因此考慮將其引入參考天線陣元間降低互耦和相關性。

圖3 EBG結構色散圖Fig.3 Dispersion diagram of EBG unit structure

加載類E型EBG結構后的去耦陣列天線如圖4(a)所示?？紤]到天線陣元的形狀和類E型EBG結構的設計理念，因此在陣元間只需要加載兩個以圓心連線對稱放置的EBG結構，其等效電路示意圖如圖4(b)和4(c)所示。圖4(b)中，兩個類E型EBG單元的金屬通孔和金屬接地板之間形成電流通路，可以將這種效應視為電感L1和L2； 兩個類E型EBG單元之間的縫隙邊緣會有電荷的聚集，可以視為電容C0。類E型EBG結構的三個枝節可以分別等效成一個電容，因此兩個類E型EBG單元各自三個電容并聯后的總效應分別用電容C1和C2表示，這樣兩個對稱放置的類E型EBG結構整體的等效電路模型如圖4(c)所示。根據LC并聯諧振模型，結合經驗公式可以推導出頻率帶隙相關計算表達式, 即

圖4 加載EBG結構的陣列天線及EBG結構等效電路圖Fig.4 Array antenna loaded with EBG structure and EBG structure equivalent circuit diagram

(2)

(3)

L=μ0μrh

(4)

(5)

(6)

式中：C1=C2；L1=L2；L0為一個類E型EBG單元的等效電感；fL和fH分別為頻率帶隙的下限和上限頻率；f0為帶隙的中心頻率；BW為帶隙帶寬。

經過仿真優化分析，和其他參數相比，參數t和散射參數中S12最小值隨頻率的移動有明顯的關系，圖5給出了t取幾組不同值時的回波損耗S11和隔離度S12?？梢钥闯觯攖=34°時，去耦天線諧振頻率5.8 GHz處的S12達到-54.1 dB。對其他參數進行優化，最佳數值為r1=9.25 mm，w1=0.5 mm，w2=1.6 mm，L2=5.2 mm，d1=1.5 mm，t=34°，t1=2°和D=0.6 mm。

圖5 天線在不同t值時的散射參數Fig.5 Scattering parameters in different values of t

利用HFSS軟件對參考天線和所有尺寸取最優值的去耦陣列天線進行仿真，其散射參數和表面電流分布的仿真結果，如圖6所示?？梢钥闯觯嚵刑炀€引入類E型EBG結構前后，諧振頻率由5.8 GHz變為5.79 GHz，S11值由-49.7 dB變為-27.4 dB，S12值由-16.3 dB減小到-54.1 dB，隔離度提高37.8 dB； 與圖6(b)相比，圖6(c)中單元間的耦合電流被EBG結構所消耗，終端加載50 Ω的陣元2表面幾乎沒有感應電流。因此，加載EBG結構的陣列天線較好地降低了陣元間互耦。

圖6 仿真結果Fig.6 Simulation results

1.3 加載EBG和DGS的陣列天線設計與分析

常見的DGS結構是在地板上刻蝕一些縫隙。當天線工作在諧振頻率時，陣元間的能量受到抑制并且被這些縫隙結構所消耗，從而提高天線的隔離度[31]。前文所述類E型EBG結構只扼制了介質基板上層陣元間的表面波傳播，從而降低互耦。在此基礎上，為了降低介質基板下層的地板上表面波傳播引起的互耦，在圖4中去耦天線陣元間的地板上刻蝕兩組弧形縫隙，進一步改善參考天線的輻射性能，提高隔離度。

鑒于陣元的形狀和電流的流動方式，本文設計了一種弧形縫隙DGS，如圖7(a)所示。圖中每組縫隙由在陣元間地板上沿每一個陣元的邊緣刻蝕等間隔角度的三個小弧形縫隙構成。每一個小弧形縫隙的兩個側邊可以等效成電容C，如圖7(b)所示，其余的兩個邊沿線可以視為電感效應，且陣列天線工作時因輻射等產生的一些損耗可以視為電阻R，這樣圖7(b)中的一個弧形縫隙DGS單元可以等效成并聯RLC電路模型，如圖7(c)所示。根據傳輸線相關理論，可以推導出以下表達式：

圖7 加載EBG和DGS的陣列天線及DGS結構等效電路圖Fig.7 Array antenna loaded with EBG and DGS structures and DGS structure equivalent circuit diagram

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Z0=50 Ω是個定值，表示特性阻抗；f′為電路諧振頻率； Δf為-3dB帶寬。

通過仿真分析可得，參數t2和參數t對于S12最小值隨頻率變化的影響相同。從圖8可以看出，當t2=22°時，去耦天線諧振頻率處的S12值最小。優化后的其他參數取值為r2=8.8 mm，w4=0.5 mm，t2=22°和t3=26°。

圖8 天線在不同t2值時的散射參數Fig.8 Scattering parameters in different values of t2

對加載類E型EBG結構和弧形縫隙DGS的去耦陣列天線進行仿真求解，其散射參數和表面電流分布的仿真結果如圖9所示。從仿真結果可以看出，加載EBG結構的陣列天線在繼續加載DGS后的諧振頻率和回波損耗S11值基本不變，S12值由-54.1 dB減小到-76.9 dB。此時，去耦陣列天線的-10 dB阻抗帶寬范圍為5.6 ～5.95 GHz，包括5.725 ～5.85 GHz。與圖9(b)相比，圖9(c)中陣元間地板上的耦合電流被DGS擾亂，因此終端接50 Ω負載的陣元2正下方地板上幾乎沒有電流。因此，與加載EBG結構的陣列天線相比，同時加載EBG和DGS的去耦陣列天線的隔離度又提高22.8 dB，從而更好地降低了陣元間互耦和相關系性。

圖9 仿真結果Fig.9 Simulation results

2 實驗結果與討論

為了驗證所設計陣列天線的性能，對優化后的參考天線和去耦陣列天線進行實物制作和測試，加工后的實物如圖10所示。

圖10 天線實物圖Fig.10 Photographs of fabricated array antennas

利用Agilent 8719ES矢量網絡分析儀對加工天線的散射參數進行測試，回波損耗S11和隔離度S12仿真和測試結果見圖11。圖11(a)中，與仿真結果相比，兩種天線的實測諧振頻率有所偏移，但都仍在5.725～5.85 GHz頻段內； 雖然兩種天線在諧振頻率處的實測S11值都比仿真值大，但都保持在-10 dB以下。圖11(b)表明，參考天線仿真和測試的散射參數S12值基本保持一致； 去耦陣列天線仿真和實測S12值的總體趨勢一致，實測最小值為-61.2 dB。由于制造誤差和測量誤差產生散射參數仿真和實測結果之間的差異可以忽略。在整個5.725～5.85 GHz頻帶內，去耦陣列天線的實測耦合值總體低于-40 dB，和參考天線相比，陣元間互耦最大降低了45.4 dB。

圖11 散射參數仿真和測量結果圖Fig.11 Simulated and measured results of scattering parameters

在暗室中對天線的遠場輻射性能進行測試。在微帶貼片陣元1被激勵，陣元2終端接50 Ω負載時，天線的仿真和測試輻射方向圖如圖12所示?？梢钥闯觯?.8 GHz處，天線的仿真和實測輻射方向圖基本吻合； 主要由于EBG結構在其頻率帶隙內具有一定的散射能力，以及DGS結構對天線輻射性能的影響，導致引入兩種去耦結構后的陣列天線XOZ面的主極化方向圖的后瓣增益有一定增大，使整個方向圖更趨近于全向天線輻射方向圖，對YOZ面的主極化也有同樣的影響； 同樣，也使XOZ面和YOZ面的交叉極化在0°方向的值有所增大，且YOZ面交叉極化方向圖的后瓣個數有所增加。兩種去耦結構及天線在加工過程中的尺寸精度誤差以及測試時饋電端口處焊接等產生的損耗，導致實測和仿真方向圖之間出現差異，但這些差異均在誤差允許范圍之內。

圖12 5.8 GHz處仿真和測量輻射方向圖Fig.12 Simulated and measured radiation patterns at 5.8 GHz

通常，包絡相關系數(ECC)是一個用來評估各個信道間相關性的重要指標[25]，也可以分析天線的多輸入多輸出性能[34]。計算二元陣列天線的ECC值：

(11)

借用式(11)計算去耦天線的仿真和實測ECC值[29]，如圖13所示。在整個5.725～5.85 GHz工作頻帶內，去耦陣列天線的實測ECC值總體小于0.001。這表明，同時引入設計的兩種去耦結構可以有效降低陣元間的相關性，有助于改善此陣列天線的MIMO性能，提高接收信噪比[35]。

圖13 去耦天線的ECC仿真和測量結果圖Fig.13 ECC simulated and measured results of decoupling array antenna

表1是本文設計的去耦微帶陣列天線與參考文獻中去耦天線的參數設計和去耦效果的對比。通過比較可知，同時引入兩種去耦結構的陣列天線具有較小的尺寸，并且在工作頻帶內具有很低的互耦和很小的ECC值。

表1 本文去耦天線與參考文獻中天線對比

3 結 論

本文提出了一種低互耦和低相關性的圓形微帶貼片陣列天線。不同于一般加載單一方法的去耦設計，本文通過同時加載類E型EBG結構和弧形縫隙DGS兩種去耦結構，分別抑制介質基板上層表面波傳輸和下層地板耦合電流，從而更有效地提高了天線的隔離度。所提出去耦天線的測試結果表明，在5.725～5.85 GHz頻帶內，互耦降低45.4 dB，并且ECC值總體小于0.001，去耦結構對天線輻射方向圖基本沒影響。仿真和測量結果吻合良好，驗證了去耦天線良好的性能。和列舉的文獻中其他天線相比，本文展示的去耦微帶陣列天線具有較小的尺寸，穩定的輻射方向圖，在工作頻帶內具有更低的互耦和更小的ECC值。此外，本文的去耦陣列天線結構簡單，制造成本低，可以為MIMO天線系統、雷達相控陣天線和其他微帶陣列天線的去耦設計提供部分參考。在目前成果的基礎上，接下來會進一步研究基于本文所提出兩種去耦結構的三元以及更多元陣列天線的去耦效果； 并通過采用串聯式饋線結構饋電和開口諧振環等方法對去耦微帶陣列天線的增益作進一步的改善； 也會對基于本文提出的兩種去耦結構的其他類型陣列天線的去耦效果進行研究和分析。