緊耦合天線的反相耦合相消隔離技術

陳 念，耿軍平，葉 聲，梁仙靈，金榮洪

(上海交通大學電子系，上海 200240)

0 引言

隨著天線分集、空間定位、超寬帶陣列等多天線應用的增加，天線之間的耦合成為多天線系統(tǒng)應用的瓶頸，并且，隨著天線應用的小型化要求越來越嚴格，天線耦合干擾對系統(tǒng)的影響越來越大。于是各種近距離天線去耦合方法不斷涌現(xiàn)。但就目前的研究現(xiàn)實而言，天線的輻射性能與天線間的距離不可兼得。現(xiàn)有的天線隔離方法主要有兩個思路，一是設計特別的天線單元，用天線本身不同極化方向的耦合相抵消或是用極為復雜的饋電網(wǎng)絡以達到較高的隔離[1，2]，這種方法可以縮小多天線系統(tǒng)的尺寸，但同時也限制了天線本身的增益。如文獻[1]介紹的一種高隔離天線，結(jié)構極復雜，隔離最高達30 dB，然而天線增益卻由于去耦結(jié)構降低了3 dB;而文獻[2]中的天線盡管尺寸更小，隔離也大于20 dB，但天線方向圖卻受到很大影響。還有一種方法在天線間附加不同的去耦結(jié)構[3，4]以提高隔離，但這些復雜結(jié)構占用大量空間，使天線間的間距變大，以至于接近半個波長。文獻[3]中介紹的去耦合結(jié)構可以達到高于20 dB的隔離度，但是兩天線間隔達到了24 mm，大于1/3波長。綜上所述，現(xiàn)有多天線系統(tǒng)的隔離技術只能在更小的天線結(jié)構尺寸與更高的隔離度之間尋找一個平衡點，卻不能解決二者之間的矛盾。為此，本文引入一種新的天線間的反相耦合相消隔離結(jié)構。這種結(jié)構尺寸小，可以使天線間隔保持在1/10波長以下。這樣在相同的空間內(nèi)可以加大天線的電長度，以達到更高的輻射效率，達到低于－20 dB的隔離效果。

1 反向耦合相消法原理

從場的角度，兩天線距離相對較近時，相互之間接收到天線近場的強信號產(chǎn)生干擾，電流元在近場區(qū)的中的輻射為

可見，在近距離范圍內(nèi)，電流元間的耦合幾乎與天線距離三次方的倒數(shù)成正比，而天線的遠場輻射則反比于與天線距離的二次方。也就是說，遠場輻射的增強，在方向圖不變的情況下，需要輻射電流和近場強度同比例地增強，則同距離下兩電流元間的耦合也將增加;若電流元間距離接近一倍(3 dB)，則兩個電流元間的耦合將增加9 dB。由此可見，電流元的間距，輻射強度與隔離之間的要求是矛盾的。當然，電流元的分析不能直接應用于天線，但天線的相關參數(shù)間的消長關系的數(shù)量級應當是相似的，所以以上分析也可以作為天線隔離方法的指導。

如果將天線本身的輻射引入為一種隔離方式，則隔離設計不會對天線的輻射性能產(chǎn)生太大的影響。本文提出了一種利用在兩天線間引入另一個反相耦合來提高天線間隔離的方法，這樣，隨著天線場強的增加，附加的反相耦合也加強了，輻射強度與隔離便不再是兩個相互矛盾的參數(shù)。這種技術就是反向耦合相消技術。

工作于同一頻率的兩個天線，天線的頻率特性一樣，相互耦合產(chǎn)生的信號對于被耦合天線，這個信號并不會產(chǎn)生大的頻率畸變;同時，由于天線的尺寸較小，相互之間的距離較小，相互耦合的信號也不會因為傳播的路徑不同而產(chǎn)生大的延遲。

基于以上兩個原因，除了相位上的差別，小型化近距離天線之間產(chǎn)生的耦合信號與發(fā)射天線的源信號在波型上不會有很大的差別;同樣，引入另一個不產(chǎn)生畸變的信號也是可能的。如果這兩個耦合信號的相位相反，則可以起到相互抵消，進而降低耦合的作用。反向耦合相消法去耦合的基本原理如圖1所示。

圖1 反向耦合相消法原理

在兩個天線之間附加一個“U”字形的諧振耦合臂，產(chǎn)生一個較大的耦合電流。如圖1所示，天線對隔離臂左右兩臂產(chǎn)生方向相反的耦合，由于左臂較近，使得臂上的總電流如圖中箭頭方向所示，同樣，左右兩臂和發(fā)射天線都將對另一個天線產(chǎn)生耦合信號，其中，左臂與發(fā)射天線產(chǎn)生同相耦合，而右臂產(chǎn)生反相耦合。由于右臂與第二個天線距離較近，所以產(chǎn)生的耦合足以與發(fā)射天線和左臂產(chǎn)生的耦合相互抵消，從而產(chǎn)生去耦合的結(jié)果。

2 高隔離雙天線系統(tǒng)設計

為了說明反向耦合相消法的基本原理和去耦合效果，本文選用了一種最基本的矩形微帶天線作為雙天線系統(tǒng)的天線元驗證。結(jié)構如圖2所示，由兩個SMA接口直接連接兩個矩形貼片天線的同地板對天線進行饋電。兩個天線間的空隙則填充了兩個“U”形臂以提高天線隔離度。由圖2可見，在兩個天線所填充的面積中，有超過2/3的面積是天線本身的面積，而附加的隔離臂則占用了極小的面積，這樣既保證了兩個天線在近距離情況下的高隔離，同時又充分利用了輻射面積，天線可以獲得較高的輻射效率。

圖2 高隔離雙天線結(jié)構

本文選取了介電常數(shù)為6.15，厚度為0.787 mm的介質(zhì)基板，天線單元為矩形微帶天線，天線尺寸為34 mm×18 mm。給定兩天線的距離為10 mm，隔離設計需要確定的參數(shù)為隔離臂的長度l，隔離臂之間的距離d1，天線與隔離臂之間的距離d2，還有隔離臂本身的縫隙寬w。至于隔離臂的連接臂的寬度，只要不影響隔離臂之間的電流通過，對天線輻射與隔離的影響幾乎可以忽略不計，在這里直接確定為1 mm。另外，雖然d1會影響兩隔離臂之間的耦合，d2影響天線與隔離臂之間的耦合，但這兩個參數(shù)的作用都可以由l和w來實現(xiàn)，所以為了簡化問題，本文所用實例直接將這兩個參數(shù)分別設為2 mm和0.6 mm。參數(shù)w是這個結(jié)構中比較重要的一個參數(shù)，因為它不僅影響隔離臂與天線間的耦合大小，同時也影響隔離臂兩臂對兩天線耦合的差值，而這個差值正是反相耦合隔離技術中用于抵消天線間原有耦合的信號，最后，w和l一起決定了整個隔離臂的長度，而這個長度不僅決定了隔離臂是否能夠與天線諧振，同時也決定了反相耦合信號到達被耦合天線時的相位，這兩個影響都直接決定兩天線間隔離的大小。本文中的天線長度為34 mm，因此初步將2l與w的和設為 34 mm，即 l為 16 mm，而 w為2 mm，并通過軟件的參數(shù)掃描小范圍變化這個和的大小及l(fā)與w的大小。經(jīng)過多次優(yōu)化和實驗之后，確定l為16 mm，w為2.8 mm，這樣，隔離臂總長為34.8 mm。此時可以達到符合要求的隔離效果。隔離臂總長與天線間長度的差別產(chǎn)生的原因在于隔離臂的寬度較小，等效介電常數(shù)變小，同時兩個轉(zhuǎn)折點也起到了減小等效電長度的作用。當然可以達到相同隔離效果的參數(shù)組合是無窮的，例如可以加大臂寬的同時增大隔離臂與天線間的距離。為了加工和測試上的便利，本文選定這一種相對精度要求較低的參數(shù)。事實上，這種多個隔離臂結(jié)構還可用于多頻帶情況下的應用，即在較大的距離下，將不同的隔離臂諧振于不同的頻帶，以達到多頻帶隔離的效果。

3 實驗與仿真結(jié)果

本文所用的仿真工具為HFSS10。模型建立為一般的同軸微帶貼片天線，阻抗匹配為50 Ω。在添加隔離臂前后所產(chǎn)生的方向圖如圖3所示，圖3(a)為使用隔離臂之前的輻射方向圖，圖3(b)為添加隔離臂之后的方向圖。兩者的形狀基本相同，不過最大輻射方向的增益由1.1 dB減小為0.05 dB，相對于文獻[1]中由高隔離所造成的3 dB的增益損失和文獻[2]中對方向圖的影響相比，反向耦合相消法對天線輻射的影響要小得多。

圖3 方向圖仿真結(jié)果

同條件下(一個天線工作，另一天線不工作)兩種結(jié)構所產(chǎn)生的天線電流分布如圖4所示，由圖可見，在加入隔離設計的情況下，工作天線的電流分布與不加隔離臂時差別較小，而被耦合天線表面尤其是饋電附近的電流有明顯的減弱，這說明，反相耦合隔離技術可以在較少影響天線輻射性能的前提下優(yōu)化天線的隔離度。

圖4 兩種情況下單個天線工作時的電流分布

不同情況下仿真所得的S參數(shù)如圖5所示:在添加去耦隔離臂前后的S11參數(shù)變化不大，最低點由－28 dB變?yōu)椋?5 dB，頻率由1.79 G降低為1.785 G;S12變化極大，由沒有附加隔離臂時的上凸圖形轉(zhuǎn)化為下凸圖形，在S11最低點對應的S12由－7 dB變?yōu)椋?3 dB。即反相相消去耦技術對距離為10 mm的兩個矩形微帶天線所帶來的隔離效果為16 dB，與參考文獻[1，3，4]中的去耦合結(jié)果相當。實測的去耦結(jié)構如圖6所示，其最差隔離與仿真結(jié)果相當，小于－20 dB，但S12曲線沒有了仿真圖中的下凸形狀，說明兩個隔離臂加工存在誤差，并未嚴格工作于同一頻率。

4 結(jié)語

仿真和實驗表明，在給定的10 mm(1/16波長)距離，兩個天線總面積約為0.2波長乘0.3波長的情況下，反相耦合相消技術達到了16 dB去耦合成果。同時天線的方向圖形狀保持不變，而增益也只降低了約1 dB。在去耦合設計之后，天線正向的增益也大于0 dB，說明在附加隔離臂之后，天線仍然保持較高的輻射效率，并不會像參考文獻[1，2]中一樣為了降低天線耦合造成天線不同部分輻射相抵消而影響輻射性能。同時在去耦效果上與文獻中的其他方法相當。初步實現(xiàn)了在小尺寸近距離情況下，天線輻射效率與去耦之間的統(tǒng)一。

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