一種復合結構在天線耦合技術中的研究*

趙 雪，夏晨蹊，楊 晨

（貴州大學 大數據信息工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

在通信技術飛速發展的今天，移動通信設備已經成為與人類生活密不可分的重要組成部分。為了適應更加高效的工作與生活節奏，便攜電子設備為此集成了越來越多的功能。其中，通信功能是此類設備最基本也是最重要的部分，包括NFC、Bluetooth、GSM和4G等[1]。

為了實現移動通信設備的多功能性，天線是不可或缺的重要一環。但是，根據移動通信所涉及的領域不同，所需的天線結構也需要進行與之匹配的設計。例如，陣列天線適用于雷達界面散射，喇叭天線可用于定向單角度入射電磁信號。本文從寬帶通信信系統入手，研究復合結構中天線耦合的增強與多頻段所需的條件關系。

電磁信號之所以能被傳輸和接收，最基本的原理就是天線的耦合。通過調整天線的復合結構，可以適當增強天線耦合的強度，使天線適用于不同的工作環境[2]。

但是，隨著移動終端設備的微型化與多功能性，在電子設備體積相對減少的同時，需鋪設更多天線以增添諧振頻段來滿足功能的拓展。如此會導致天線在接收外部諧振的同時，其內部也存在因為自身諧振造成互擾的非理想耦合現象，以致產生信號間的干擾與能量損耗，通常將這一類耦合稱之為弊耦合。所以，本文針對以上問題，設計了一種以MIMO（Multiple Input Multiple Output）為基礎的天線，通過結構設計重構、優化，使其在移動通信頻段（GPS/GSM1800/LTE2300/WLAN）有著良好的工作效率，且能夠大大降低移動設備終端內部的弊耦合現象[3]。

1 天線耦合的概念及其分析方法

1.1 耦合基本概念

電磁耦合的根本現象：當空間中存在兩個或者兩個以上的天線時，其中某一天線受到來自自身或外界高頻信號的激勵向空間輻射電磁能量，周圍在同一諧振頻率的天線會因此耦合同頻的電磁能量，同時向周邊輻射，如圖1所示。

圖1 天線耦合關系

從圖1可以看出，若給予移動終端1一個來自內部的激勵，其天線會向空間輻射電磁能量信號。同時，有著相同諧振頻率的移動終端2與移動終端3，會因為耦合效應各自生成與自身匹配的電磁能量，并向外部輻射自身的電磁能量。

這一過程中，移動終端之間的感應是通過耦合技術基礎實現的，且通常將這類能被人們利用的耦合效果稱為利耦合。但是，移動終端間因耦合而產生感應的同時，終端內部因為天線的寬頻帶等原因會產生一種干擾的耦合，而這種耦合會導致信號的穩定性降低、頻率偏移等諸多不利后果，因此此類耦合也被稱為弊耦合。本文的目的是通過設計天線的復合結構，保存天線利耦合的同時，盡力消除其中的弊耦合[4]。通過查閱相關文獻，了解到分析此類天線耦合問題最常用的方法為散射矩陣法，其適用軟件是以有限元分析算法為基礎的HFSS。

1.2 散射矩陣法即S參數分析法

在微波網絡構建完成后，通過對入射波與反射波強度參數分析，可以得出該參數的耦合特性[5]。為了研究耦合特性，可以通過散射矩陣示意。散射矩陣示意圖如圖2所示。

圖2 散射矩陣

將入射條件定義為ai，反射條件定位為bi，則歸一化入射波與反射波之間的關系式成立如下：

S為參數分析法中歸一化二端口網絡的散射矩陣。但是，在傳統天線S參數分析法中，通常將S11與S22分別視為T1端口與T2端口的歸一化回波損耗，通過分析得出相應天線內部的響應特性。因此，天線的耦合與響應特性分析的最明確方法是從S參數入手。

本文以單極子天線為例，通過在HFSS模擬環境中為天線增添補償結構或構造缺陷部分，計算仿真得出結果，從而進一步討論分析存在補償結構和部分缺陷的復合操作情況下，天線內部的耦合現象[6]。

2 模擬分析方法

2.1 基礎天線

首先，模擬分析了一種當下應用比較廣泛的單極子天線的復合衍生結構，如圖3所示，并將其命名為Ⅰ型天線。

圖3 Ⅰ型天線結構

通過HFSS軟件仿真，可測得此天線S參數，如圖4所示。

圖4 Ⅰ型天線S11參數

根據圖4中數據，結合回波損耗計算式，可計算天線性能參數電壓駐波比，其中回波耗損為：

式中RL即回波損耗（Return Loss），S11為HFSS軟件所得參數，k為系統反射系數。另外，根據式（5）計算反射系數k，然后根據式（6）：

計算在該頻段范圍內的最大電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio）VSWR=1.28，能滿足正常工作所需；S11＜-10 dB的部分落WiFi入頻段內，滿足日常所需基本應用[7]。同時，參照相對帶寬公式為：

式中fH和fL分別為S11＜-10 dB的最高頻率與最低頻率，求得ffoc=15%屬于寬帶通信。

2.2 一階結構設計

天線頻率響應頻段的單一性意味著設備功能的單一性。若需要讓天線適應更多的應用場合，必須對其結構進行優化設計。

為此，本文提出第一種適應方案——缺陷結構。在呈現設計的天線前統一規定，當單極子天線正面向上時，令左側端口為端口1，右端口命名端口2。缺陷結構如圖5所示，并將其命名為Ⅱ型a類天線。

圖5 Ⅱ型a類天線結構

通過將標注部分進行結構缺陷進行HFSS模擬仿真，可以得出其S參數。同Ⅰ型結構對比S11與頻率關系如圖6所示。

圖6 S11參數對比

可以看出，不僅Ⅰ型結構落入WiFi頻段的可耦合部分得以保存，還出現了新的可耦合頻段。因此可以得出假設，以Ⅰ型結構為基礎的天線，適當缺陷部分結構，會令其在更多的頻段產生可耦合的特性。雖然采用結構缺陷的方法可令天線形成新的可耦合頻段，但若對原天線結構進行補償，又會得出另一種結果，如圖7所示。

圖7 Ⅱ型b類結構

對Ⅰ型天線采用結構補償的方法，圖中標注部分即為補償結構，并將其定義為Ⅱ型b類。在HFSS軟件模擬構建此結構，設置邊界條件后進行求解仿真，得到S參數，對比結果如圖8所示。

圖8 S11參數對比

對比于Ⅰ型天線S參數結果（虛線部分）可以看出，因為原有的耦合頻段存在以上補償結構使得Ⅰ型天線的響應被明顯放大，所以，又可得出一種假設，即適當增添天線補償部分也可以從另一角度拓展天線的性能。

2.3 復合結構設計

上述是對基礎天線采用一次結構設計的結果。綜合以上，如果合理將部分缺陷和增添補償的方法融合應用于天線，經過重新優化，復合天線就會在原天線的基礎上，汲取二者的性能優勢，這便是天線復合結構設計的基礎。在提出這一概念后，本文將Ⅱ型a類缺陷與Ⅱ型b類補償融合作用于Ⅰ型天線，得到Ⅲ型天線，模擬結構如圖9所示。

通過對Ⅲ型天線進行參數仿真，得到結果與Ⅰ型天線的對比，如圖10所示。

圖10虛線部分為Ⅰ型原天線S參數響應結果。可以看出，在Ⅰ型基礎上，采用部分缺陷以及結構補償的復合設計后，Ⅲ型天線在維持原有Ⅰ型天線的基礎性能不變的情況下，結合了Ⅱ型天線多頻段與強耦合的優勢。可見，適當設計復合結構并優化，對天線耦合結果有著重要影響。

圖9 Ⅲ型天線結構

圖10 S11參數對比

采用與Ⅰ型天線同樣的分析方法，可以分別求得 VSWRw1=1.27，VSWRw2=1.03。 其 中，w1、w2分別表示Ⅲ型天線的低頻段與高頻段部分。從結果分析，Ⅲ型天線在以上兩頻段范圍內皆滿足系統條件。根據式（7）計算其相對帶寬分別為ffocw1=17%、ffocw2=8.5%，且都屬于寬頻段范圍。

2.4 電流分析

天線產生耦合效應的根本原因是貼片天線表面電流的運動。通過HFSS軟件可便捷地模擬出天線貼片表面的等效電流，因此可以利用HFSS得到以上4種天線模擬電流分布，如圖11所示。

圖11 天線表面電流

圖11 中Ⅰ型天線是未經任何處理的基礎天線。可以看出，由于它的單極子結構部分的感應電流過強，因此在相同能量的情況下，I型天線更多地將其轉化為電流的熱耗而溢散。另外，在未做任何結構優化的情況下，端口1近端也會存在電磁溢散現象，以致于出現I型天線低頻段耦合較弱的現象。

天線的輻射效率為：

式中，pt為天線的輻射功率，pr熱溢散功率，PA為入射總功率。

當天線的輸入功率PA一定時，貼片天線中的電流越大，熱損溢散現象越嚴重。結合圖11（a）以及圖5、圖7更能清楚對比得出這一結論。

當Ⅰ型天線以缺陷部分為基礎重新設計，如Ⅱ型a類所示，電流強度分布如圖11（b）所示，可以明顯看出端口1處的溢散電流減少。因此，天線能保存更多的能量用于輻射耦合，最終表象是拓展了低頻段處的耦合強度。

將Ⅰ型天線重新設計后為Ⅱ型b類，貼片電流強度圖如圖11（c）所示。結合圖8可知，天線部分頻段的輻射能力被增強，此結果與散射矩陣法測算相符合。

最后，將Ⅱ型天線a類、b類的部分缺陷與結構補償方法相融合構成復合天線。從電流感應圖中可以看出，單極子天線的熱溢散電流削弱，輻射能量得以保存，是天線具有強耦合性的基礎。

3 數據實測

將HFSS軟件中構造的4種天線以CAD格式數據形式導出，并用CAD軟件將其重新標注進行實物加工。所有模擬天線實物如圖12所示。

圖12 天線實物模型

將矢量網絡分析儀器分別激勵源和接收源置與天線兩端連接，并以0～3 GHz頻率對其進行掃描檢測。將4種天線實測數據優化后列出結果，如圖13所示。

圖13 四種天線S11參數圖

通過對圖13中結果對比分析可以得出，四種天線的實測數據與模擬環境中基本吻合，即理論結論適用。另外，若對其結構參數進行相應的調整，可令響應頻率向應用所需方向進行偏移。最后，綜合四種天線電壓駐波比與相對帶寬數據如表1所示。

表1 天線電壓駐波比與相對帶寬

通過對比三種不同的重構設計，可以看出其各自優勢。Ⅱ型b類因其有著強可耦合特性，能夠在弱信號地區如高層建筑、偏遠山林，地穴峽谷等地發揮其獨有的特性。而經過復合結構設計的Ⅲ型天線，可以更好地配備于多功能通信設備中。

4 結 語

在高頻回路中，天線的結構往往決定其特性。如果對基礎的天線結構采用部分缺陷或者補償的的方法進行微調整，可以使天線耦合的能力和效率得到很大改善。同時，若將類似Ⅱ型天線的兩種或者以上設計理念相融合，構成復合結構天線，能令天線集成更多的可耦合特性，從而豐富其應用功能。