一種基于曲折枝節去耦的多元濾波天線

李增有，李為峰

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

0 引言

通信測控頻段由于頻帶較窄,對臨近微波頻段的電磁信號較為敏感,若臨近頻帶的電場強度較強,可能會對其作為有效信號進行接收造成電磁干擾。因此如何提高窄帶天線的邊帶增益陡降幅度成為目前通信測控領域較為突出的問題。為解決該電磁干擾問題[1-2],在實際工程中均采用在前端加載濾波器的方式[3],這將造成通信設備的體積變大,若采用具有陷波功能的天線單元可使邊帶增益陡降幅度較大,則可以避免上述問題。已經報道的實現濾波的方式有加載寄生諧振枝節[4-5]、開槽[6-7]和加載枝節[8]。多輸入多輸出天線可在不增加天線發射功率的情況下,通過分集技術改善通信質量并提高通信速率。同時,對測控設備提出了小型化的結構設計要求,這也對作為信號接收設備的天線提出了更高的要求,要求其尺寸盡可能緊湊,相鄰天線單元間的耦合會隨著空間距離的縮小而增大[9]。目前常用的減小多天線單元間耦合的方法包括:極化分集技術[10]、地板開槽技術[11]、地板加載枝節技術[12]以及中和線技術[13-15]。因此對具有陷波功能的天線單元以及如何減小多天線單元間的耦合進行研究具有重要意義。

針對上述研究背景,基于微帶天線設計了一款具備邊帶增益陡降特性的陷波天線,并在此天線單元基礎上通過加載曲折型枝節的方法降低了多天線單元間的耦合,從而增加天線單元間的隔離度。在仿真分析的基礎上加工了天線樣機并測試,測試結果驗證了設計的正確性。

1 天線設計原理

1.1 天線單元邊帶增益陡降特性實現機理

鑒于微帶天線易于與復雜結構共形且成本較低,因此常被作為陣面天線單元的首選。但由于微帶天線的相對帶寬對應在測控通信頻段的中心頻點處所產生的工作帶寬遠遠超出了測控所需頻段,且由于測控領域對通信質量要求較高,因此需將邊帶的無用頻段進行濾除,以避免可能會出現的電磁干擾。本文采用在輻射貼片上開槽的方式實現濾波特性,通過在供電端口周圍開2組槽縫實現雙濾波特性,槽縫的長度為阻帶中心頻率的1/4介質波長。為降低結構加工復雜性,槽縫形狀采用線型形狀。所設計天線具備通帶外高低頻雙邊帶阻帶特征,基于設計原理,圖1闡釋了天線單元工作在低頻阻帶中心頻點時的濾波原理。

(a)天線電流分布

(b)局部電流矢量圖1 中心頻點處電流分布Fig.1 Currrent distribution at the central frequency

由圖1可以看出,當天線工作在濾波中心頻點處時,電流主要集中在外側槽縫周圍,這說明電場能量也集中在此處。為了進一步闡釋槽縫實現濾波的原理,圖1(b)給出了槽縫周圍局部電流矢量方向圖,可知槽縫兩側的電流方向相反,因此在遠場區所產生的電場相互抵消,從而實現濾波特性。圖2給出了天線單元增益隨頻率的變化曲線,可知未加載濾波結構的天線單元在邊帶處增益值下降緩慢,而加載濾波槽縫結構的天線單元在邊帶處增益值下降明顯,相對值達到了37 dB以上,具備良好的邊帶濾波特性。

圖2 天線單元增益變化曲線Fig.2 Gain variation curve of antenna element

1.2 天線高隔離度實現機理

為了降低天線單元間的耦合,增加單元間的隔離度,采用添加金屬枝節的方法,圖3給出了加載枝節的過程。

(a)結構2

(a)結構3圖3 天線演變過程Fig.3 Evolution process of antenna

為了進一步分析所設計去耦結構的有效性,圖4給出了天線演變過程中的電流分布情況。由圖4(a)可以看出,在未加載任何去耦枝節的情況下,鄰近天線單元的耦合能量較大,這將影響天線單元的獨立工作。通過在天線單元間增加金屬枝節,結構如圖4(b)所示,可知加載金屬枝節對提高天線單元間的隔離度有一定作用,金屬枝節上有一定的耦合電流,但并未起到理想的去耦作用。通過對金屬枝節的形狀進行修改,最終電流分布如圖4(c)所示,大部分耦合電流分布在曲折型去耦枝節上,鄰近天線單元上的耦合電流較小,說明曲折型金屬枝節具備較好的去耦作用。

(a)結構1對應電流分布

(b)結構2對應電流分布

(c)結構3對應電流分布圖4 天線演變過程電流分布Fig.4 Current distribution during antenna evolution

圖5給出了不同結構的電壓傳輸系數隨頻率的變化曲線,可知結構3對應的電壓傳輸系數在測控頻段內均小于-20 dB,證明了加載曲折型枝節可以起到良好的去耦作用。

圖5 天線電壓傳輸系數變化曲線Fig.5 Voltage transmission coefficient variation curve of antenna

2 天線單元設計

2.1 天線單元結構

基于微帶天線設計了一款具有陷波功能的微帶天線單元,圖6給出了所設計天線的結構和實物。天線印制在介電常數為4.5的介質板兩側,尺寸為80 mm×62 mm×4.5 mm。

(a)天線結構

(b)天線實物圖6 天線單元結構Fig.6 Structure of antenna element

表1給出了所示天線結構的具體參數。

表1 天線結構參數Tab.1 Antenna structure parameters 單位:mm

2.2 天線仿真與測試結果分析

為了驗證設計的可行性,對所設計的天線進行加工樣機并測試,測試項目包括散射參數、增益值和輻射方向圖。散射參數是表征微波器件端口匹配特性的重要參數。

2.2.1 散射參數

圖7為所設計天線單元的反射系數隨頻率的變化曲線。

圖7 散射參數曲線Fig.7 Scattering parameter curve

由圖7可以看出,所設計天線在2.2～2.3 GHz電壓反射系數均小于-10 dB,且在鄰近頻帶內電壓反射系數增加迅速,從而證明天線在工作頻段以外輻射效率較低,沒有進行能量的輻射或接收,達到了預期設計的目的。

2.2.2 增益仿真及測試結果

圖8為所設計天線單元的增益值隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出,所設計天線的最大增益值為6.2 dB,在2個阻帶處增益值下降明顯,在2.0、2.6 GHz處達到了-32、-31 dB,驗證了開槽實現邊帶增益陡降特性的可行性。由于測試環境以及介質板的不均勻性的影響,測試結果較仿真結果值略小。

圖8 天線仿真與測試的增益值曲線Fig.8 Antenna simulation and test gain value curve

2.2.3 輻射方向圖仿真及測試結果

圖9給出了天線E面和H面仿真和測試的歸一化方向圖,從圖中可以看出,天線方向圖的仿真結果與測試結果較為吻合,前后比大于24 dB。

圖9 天線的歸一化方向圖Fig.9 Antenna normalized radiation patterns

3 帶去耦結構的多天線設計

3.1 天線結構

基于上節所設計的微帶天線單元,通過在鄰近天線單元間增加曲折型去耦結構來降低單元間的耦合、增加隔離度。圖10給出了所設計天線的結構和實物。

(a)天線結構

(b)天線實物圖10 天線結構Fig.10 Antenna structure

表2給出了所示天線結構的具體參數。

表2 天線結構參數Tab.2 Antenna structure parameters 單位:mm

3.2 仿真與測試結果分析

為了驗證設計的可行性,對所設計的天線進行加工樣機并測試,測試項目包括散射參數、增益值和輻射方向圖。

3.2.1 散射參數

圖11給出了所設計天線的仿真和測試散射參數隨頻率的變化曲線。

圖11 散射參數曲線Fig.11 Scattering parameter curve

由圖11可以看出,所設計天線在2.2～2.3 GHz反射系數均小于-10 dB,滿足實際應用需求。分析可知,饋電端口2與饋電端口3之間的電磁耦合最為嚴重,因此給出端口2和3之間的電壓傳輸系數,仿真和測試結果在通信頻段內均小于-20 dB,證明相鄰天線單元間的相關性較小。

3.2.2 增益仿真及測試結果

圖12給出了天線增益的仿真與測試結果。

圖12 天線仿真與測試的增益值曲線Fig.12 Antenna simulation and test gain value curve

從圖中可以看出,天線的增益值在2.2～2.3 GHz均大于等于12.5 dB,在通信頻段以外下降迅速。說明該天線具有良好的邊帶濾波特性。

3.2.3 輻射方向圖仿真及測試結果

圖13給出了天線E面和H面仿真和測試的歸一化方向圖,從圖中可以看出天線方向圖的仿真結果與測試結果較為吻合,前后比大于20 dB。

圖13 天線的歸一化方向圖Fig.13 Antenna normalized radiation patterns

基于所設計天線的測試結果,表3列出了該設計與先前報道的類似成果相應的結構與性能指標的對比。可以看出,所設計天線在保證雙濾波特性與高隔離度的條件下,單元間的距離較小,且單元數量較多。

表3 天線與先前報道天線對比Tab.3 Comparison table of antenna with previously reported antennas

4 結束語

由以上仿真與測試結果可知,所設計天線單元在通帶2.2～2.3 GHz增益平穩大于等于6.2 dB,變化幅度小于0.3 dB,邊帶增益值下降迅速,相對值大于等于37 dB,驗證了開槽縫結構實現天線邊帶濾波特性的可行性;通過在陣列天線間增加曲折型去耦枝節來降低單元間的耦合,經加工天線樣機并測試,測得天線間的隔離度大于等于20 dB,且保持了天線單元邊帶濾波特性的優勢。由此得出結論,開槽實現陷波特性、在多天線單元間添加曲折型枝節抑制單元間耦合等方案的可行性,為解決類似問題提供了解決方案。