應用于WLAN的縫隙陣列天線設計

陳 潔，孫美嬌，韓麗萍

(山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006)

隨著信息技術的進步與發展，信息的高速傳輸為人類的通信生活帶來便捷并創造更多的可能性，同時對天線的寬帶、方向性等性能提出了更高的要求.由于陣列天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束控制等特性，使陣列技術在無線通信、衛星通信、氣象預測等方面得到了廣泛應用.

在陣列天線設計中，必須要考慮天線單元之間的互耦效應.互耦效應會改變天線單元原有的電流路徑，從而改變其阻抗特性，影響天線陣列的性能.傳統的降低天線單元之間互耦的方法有：采用缺陷地結構[1-4]、加載諧振器[5-7]以及中和線[8，9].文獻[1]設計了一種多端口微帶網格陣列結構，可以靈活地將其用作單個天線或多個天線，通過缺陷地結構減少互耦；文獻[2]設計了一種旋轉對稱多端口天線，通過位于介質底部的缺陷地結構抑制相鄰天線單元之間的互耦；文獻[3]設計了一個用于WLAN的雙頻二元多輸入多輸出天線，通過在接地板上開縫隙使端口間的互耦減小；文獻[4]設計了一個緊湊的超寬帶多輸入多輸出天線，天線單元為彎折的單極子天線，通過在接地板中間刻蝕縫隙來降低互耦；文獻[5]在兩個緊密放置的單極天線之間插入一維電磁帶隙結構和開口諧振環結構以抑制互耦；文獻[6]設計了一種二元雙頻微帶天線陣列，在天線單元之間插入一個不對稱環路諧振器減少互耦；文獻[7]通過在兩個矩形貼片天線單元之間添加平行金屬條帶降低互耦；文獻[8]設計了一種緊湊的超寬帶多輸入多輸出天線，用中和線連接兩個天線單元以減少互耦；文獻[9]通過使用兩個交叉中和線連接兩個對稱的天線單元降低互耦；另外，文獻[10]提出了陣列天線解耦表面(ADS)的概念，分別設計了8元線極化貼片陣列天線和2×2雙極化八元線性偶極子陣列，通過ADS實現單元間的解耦.

本文設計了一種應用于WLAN的4元多端口縫隙陣列天線.縫隙天線單元由微帶饋線和刻蝕有彎折形縫隙的接地板組成，通過ADS改善單元間的隔離度.陣列天線可以工作在WLAN頻段，天線單元之間的隔離度大于15 dB，且具有良好的輻射特性.

1 天線設計

天線的結構如圖1 所示，天線由兩層結構組成.下層是4單元的縫隙天線，介質基板的下表面是刻蝕有彎折形縫隙的接地板，上表面為階梯形微帶饋線，天線單元的間距D為40 mm.上層是陣列天線解耦表面ADS，由介質基板和位于其上表面的4組金屬反射貼片組成.上下層間距H為20.9 mm.

圖1 天線結構示意圖Fig.1 Configuration of array antenna

通過調整ADS的高度和貼片尺寸，可以使反射貼片的反射波與單元間的耦合波幅度相等相位相反，達到相互抵消的目的，減小單元間的互耦.選用相對介電常數為4.4，厚度為1.6 mm 的FR4作為介質基板.利用商用電磁軟件HFSS進行仿真分析，優化后的參數為：L=160 mm,W=55 mm,ws=3 mm,ls=8 mm,ws1=1.3 mm,ls1=22.9 mm,l1=7.2 mm,l2=7.2 mm,l3=7.3 mm,g=2.2 mm,lp=16 mm,wp=20 mm,d1=2 mm.

為了說明解耦機理，研究了天線的表面電流分布.圖2 給出了激勵端口1時的表面電流分布圖.由圖2 可知，不加ADS時，較大的電磁能量從單元1耦合到單元2，導致隔離度較差.引入ADS后，反射波與耦合波互相抵消，從端口1到端口2的電磁能量耦合減少，實現良好的端口隔離.

圖2 天線表面電流分布Fig.2 Surface current distributions of antenna

2 參數分析

通過對天線進行敏感性分析，發現金屬反射貼片的長度lp、貼片的間距d1以及上下層間距H對天線性能影響較大.由于相鄰天線單元之間的互耦較強，考慮到天線結構的對稱性，重點分析各個參數對S12和S23的影響.分析某一參數對天線性能的影響時，其它參數均保持不變.圖3 給出不同貼片長度lp對互耦的影響，在工作頻段內，隨著lp的增加，單元1和2之間的互耦降低，單元2和3之間的互耦先降低后增加，當lp=16 mm 時，單元1和2以及單元2和3之間的互耦分別小于-16 dB和-16.7 dB，性能最好.

圖3 不同lp的互耦Fig.3 Mutual coupling for different lp

圖4 給出貼片間距d1對互耦的影響，d1從1.5 mm增加到2.5 mm時，工作頻段內單元1和2之間的互耦均低于-15 dB，單元2和3之間的互耦先降低后增加，當d1=2 mm時，單元2和3之間的互耦最小，低于-16.7 dB.

圖4 不同d1的互耦Fig.4 Mutual coupling for different d1

圖5 不同H的互耦Fig.5 Mutual coupling for different H

圖5 給出上下層間距H對互耦的影響，在工作頻段內，隨著H的增加，單元1和2之間的互耦降低，單元2和3之間的互耦先降低后增加，當H=20.9 mm時，單元1和2以及單元2和3之間的互耦都小于-16 dB.

3 結果與討論

由于天線結構左右對稱，且相鄰天線單元之間的互耦較強，本文重點研究天線單元1和2，單元2和3以及單元1和3的S參數.圖6 為天線的仿真反射系數和隔離度.由圖6 可見，沒有增加ADS之前，天線4個端口的匹配良好，-10 dB阻抗帶寬為2.39～2.485 GHz(相對帶寬為3.9%)，包含了WLAN的2.4 GHz工作頻段，但是相鄰天線單元間的隔離度較差.增加ADS后，單元1和單元2間的互耦從-14 dB下降到-16 dB 以下，單元2和單元3間的互耦從-10 dB 下降到-17 dB，單元1和單元3間的互耦也明顯降低，低于-22 dB.總而言之，增加ADS后陣列天線在工作頻段范圍內單元間的互耦均小于-16 dB，阻抗帶寬為2.345～2.533 GHz，相對帶寬為7.7%.

圖6 陣列天線的S參數Fig.6 S-parameters of array antenna

圖7 為天線在2.44 GHz處的仿真輻射方向圖.可以看到，沒有ADS時，天線單元的E面方向圖呈“8”字型，H面方向圖近似全向.增加ADS后，天線的輻射特性基本不變，且在最大輻射方向上的增益略有改善.

圖7 陣列天線的輻射方向圖Fig.7 Radiation patterns of array antenna

4 結 論

本文設計了一種4單元縫隙陣列天線.通過在陣列天線上方增加ADS提高單元間的隔離度.天線單元之間的隔離度大于15 dB，且具有良好的輻射特性，結構簡單，易于制作，可以應用在WLAN工作頻段.