微帶貼片天線收發去耦結構研究

季英俊，程崇虎

（1.南京郵電大學電子科學與工程學院，江蘇南京210003；2.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003）

由于具有自適應歸零[1]和增加信道容量[2]等特點，自適應陣列和多輸入多輸出（MIMIO）無線通信系統受到人們廣泛的關注和重視。為了實現這些優異的性能，解決緊密相鄰的天線間同頻干擾問題就顯得尤為重要。

已經有很多關于改善天線之間的隔離度的研究。在文獻[3-6]中，通過使用缺陷地結構來實現隔離度的提升，然而這種結構破壞了背部地的完整性，增加了天線背部的輻射。采用電磁帶隙[7-9]（EBG）來限制天線之間表面波傳播，但由于其需要大量的空間，增加了幾何復雜性，導致使用條件受限。[10]提出了一種對稱共面條帶結構增強隔離，但由于分離壁垂直于天線陣列的平面，是通過犧牲天線陣列的平面性來提升元件之間的隔離度[11-13]。提出了中和技術，該技術需要用連接線來創造額外的場去抵消原有的耦合場。此外[14-15]，中的去耦網絡方法也可以實現去耦效果，利用饋電網絡代替了在天線間插入去耦結構實現去耦，但是復雜的饋電網絡的設計增加了設計的難度。

文中設計了一種5條微帶交指線結構，該結構類似于平行耦合線結構，能夠產生帶阻特性。電磁仿真軟件仿真結果表明，以5.8 GHz為中心，30 dB隔離帶寬可達33 MHz，最大隔離度可達49.5 dB，相比文獻[16]提出的3條平行耦合線去耦結構，30 dB隔離帶寬提升了57%（12 MHz），隔離度提升了56.6%（17.9 dB），符合5條微帶交指線去耦結構的設計要求。

1　天線的去耦設計

本文的去耦結構是在文獻[16]所提出的去耦結構基礎上進行了改進設計，圖1顯示文獻[16]中加入3條微帶交指線結構的二元微帶天線陣的幾何結構，微帶交指線結構在兩個微帶貼片天線中間起到帶阻濾波的作用，能夠將從天線A1上耦合到天線A2的場濾除，因而可有效的增強天線間的隔離度。文章[16]對3條微帶交指線結構進行仿真計算，仿真表明30 dB隔離帶寬為21 MHz，在5.72 GHz處取得最高隔離度31.6 dB。該去耦結構的具體尺寸詳見表1所示。

表1　微帶天線陣結構參數

圖1　加入3條微帶交指線結構的天線陣

本文在文獻[16]中設計的3條微帶交指線的基礎上，設計出一種以5.8 GHz為中心頻率，30 dB隔離帶寬為33 MHz，且在5.8 GHz處取得最大隔離49.5 dB的5條微帶交指線結構，且該結構不會改變貼片天線陣未加去耦時的方向圖。

在饋電方式、天線大小、間距以及介質基板均不變的情況下，僅改變去耦結構從而實現性能的提升，改進后去耦結構參數如表2所示。

表2　改進微帶交指線尺寸

圖2　加入5條微帶交指線結構的天線陣

如圖2所示，加入5條微帶交指線去耦結構的二元天線陣的結構。兩個采用同軸底饋、工作在5.8 GHz的微帶天線沿H面緊密擺放，天線邊到邊間距ds和中心間距dc分別為 3.6 mm（0.07λ0，λ0為5.8 GHz對應的自由空間波長）和 15.6 mm（0.3λ0）。天線介質基板材料選用RO4003，相對介電常數為3.55，厚度為1.524 mm。5條微帶交指線上的過孔半徑r為0.1 mm。

2　仿真結果和分析

在HFSS中，參照如圖2所示的模型建模并進行仿真計算。仿真過程中，發現當條帶長度L1約為四分之一個微帶線波長，且L1、L2和L3取不同長度、間隔寬度時，兩天線之間的隔離度能得到比較滿意的結果。

圖3顯示了長度L1=6.6mm時，條帶長度比L1/L2/L3對隔離度的影響。結果表明當L1/L2/L3為1.99時，在5.8 GHz取得最優隔離效果。

圖3　不同L1/L2/L3比率下的S21結果

圖4　不同L1長度下的S21結果

圖5　不同d1長度下的S21結果

圖4顯示了長度L1與隔離度間的關系。在固定長度比（L1/L2/L3=1.99）的情況下，隨著條帶長度的增加，隔離頻帶向低頻移動，且隔離效果越佳，但當條帶長度L1大于6.6 mm時，隔離效果又會隨之變差。因此，L1=6.6 mm是5.8 GHz工作頻率的隔離效果對應的最佳長度。

另外如圖5所示，天線間的隔離度同樣受條帶間隔d1影響。從圖中可以發現，在固定長度比和L1的情況下，最優隔離度對應的d1為0.20 mm。

圖6　無、三條、五條交指微帶線情況二元天線陣的s11圖

圖6對5條微帶交指線去耦結構、文獻[16]中3條微帶交指線去耦結構以及無去耦結構的二元天線陣的匹配情況進行比較。結果顯示5條線結構的匹配最好，其次是3條線結構，最后是無去耦結構。10 dB匹配帶寬依次為310 MHz（相對帶寬5.3%）；220 MHz（相對帶寬為3.8%）；220 MHz（相對帶寬為3.8%）。

圖7　無、三條、五條交指微帶線情況二元天線陣的s21圖

圖7對5條微帶交指線去耦結構、文獻[16]中3條微帶交指線去耦結構以及無去耦結構的二元天線陣的隔離度進行對比。相比無去耦結構，3條和5條微帶交指線具有明顯的去耦效果。文獻[16]中去耦結構的30 dB隔離帶寬為21 MHz，并在5.72 GHz處達到最大隔離31.6 dB，與無去耦結構相比，隔離度最大提升了23.6 dB。而5條微帶交指線結構30 dB隔離帶寬達到33 MHz，且在中心處取得最大隔離49.5 dB，較3條微帶交指線結構，30 dB隔離帶寬提升了57%（12 MHz）隔離度提升了56.6%（17.9 dB）。

圖8　天線A1在5.8 GHz處E平面方向圖

圖8顯示了加入5條微帶交指線結構與未加入任何去耦結構時，天線A1在5.8 GHz處的E平面方向圖之間的對比曲線。圖中虛線是未加任何去耦結構時的數據曲線，實線是加入5條微帶交指線結構的數據曲線。

圖9　天線A1在5.8 GHz處H平面方向圖

圖9顯示了加入5條微帶交指線結構與未加入任何去耦結構時，天線A1在5.8 GHz處的H平面方向圖之間的對比曲線，圖中虛線是未加任何去耦結構時的數據曲線，實線是加入5條跳微帶交指線結構的數據曲線。

由圖8、9可知，加了5條微帶交指線去耦結構后H面的最大方向向左偏移了250，E面的最大方向在00；而未加去耦結構時H面的最大方向因為耦合的影響向右偏移了250，天線E面的最大方向在00。因此，去耦結構對天線的輻射方向圖有一定的改善作用尤其改善了天線H面方向圖在-250到250范圍內的增益的平坦度，此時天線增益為8.2 dBi。

3　實物制作與測試分析

參照表1和表2的結構尺寸，加工制作了含有5條微帶交指線結構的二元微帶天線陣，實物照片如圖10所示。

圖10　加入5條微帶交指線去耦結構的二元天線陣的仿真和實測S參數以及實物圖

測試結果表明天線的10 dB匹配帶寬為260 MHz（相對帶寬4.5%），略小于仿真結果310 MHz（相對帶寬5.3%）。實測S21在5.82 GHz處取得最大隔離36.1 dB，30 dB去耦帶寬18 MHz，略小于仿真結果33 MHz。原因可能是實際加工存在一定的誤差，導致隔離帶寬和最大隔離效果未達到預期。

4　結束語

針對緊密擺放的微帶天線間存在同頻干擾問題，設計了5條微帶交指線去耦結構。該方法的機理是利用微帶交指線結構的濾波特性，將耦合場進行濾除，從而提高緊密擺放微帶天線間的隔離度。由HFSS仿真結果可知這種結構的天線帶寬、隔離度都符合要求。在保持良好的天線輻射性能情況下，還能對天線的輻射方向具有一定矯正作用。實測結果也驗證了其去耦效果。雖然實測與仿真存在一定的差距，但通過提高加工精度和去耦結構的魯棒性，能夠解決實測和仿真之間存在差距的問題。