高隔離度寬帶雙極化微帶天線設計

張健豐，李平輝，朱 彤

（解放軍理工大學通信工程學院，江蘇南京210007）

高隔離度寬帶雙極化微帶天線設計

張健豐，李平輝，朱 彤

（解放軍理工大學通信工程學院，江蘇南京210007）

雙極化天線由于具有極化分離的優(yōu)異性能，在無線通信系統中引起了廣泛關注，因此本文設計了一個高隔離度寬帶雙極化微帶縫隙天線.為了獲得高隔離度特性，該天線采用兩個不同結構的微帶線饋電，分別激勵起垂直極化和水平極化模式.同時在地板上開縫隙來展寬天線帶寬和實現天線的小型化.仿真優(yōu)化結果表明，該天線端口1和端口2的阻抗帶寬分別為51%和62%，在1.71GHz～2.69GHz整個工作頻帶范圍內兩端口之間的隔離度高于40dB，且結構簡單，適用于移動通信的實際應用中.

雙極化；高隔離度；寬帶；縫隙天線

1 引言

在通信技術快速發(fā)展的今天，通信系統對設備提出了越來越多的要求，在提高信道容量的同時還要求展寬設備的帶寬，以及實現小型化.天線作為通信系統中的一種收發(fā)裝置，其性能也受到了人們的關注.雙極化天線由于具有很強的抗干擾性、能實現極化分離和提高信道的容量而引起了更多學者的青睞［1～3］，它的這些優(yōu)異性能決定了其在移動通信中具有廣闊的應用前景.因此，設計寬頻帶、高隔離度、小型化、結構簡單的雙極化天線受到了廣泛關注.

近年來，人們提出了各種各樣的雙極化微帶天線，如文獻［1］設計了一個寬帶高隔離度雙極化微帶天線，通過引入短路針來提高端口隔離度，達到了38dB，其相對帶寬為21.5%.但該天線由于采用了同軸饋電和短路針加載技術，使得該天線結構不夠緊湊.因此，為了能同時在一個天線上實現寬頻帶、高隔離度和低剖面的性能，人們提出了一些新型天線，如文獻［2］和［4］所設計的天線.

實際上，隨著天線技術發(fā)展，學者們提出了各種各樣的技術來提高天線的性能.通過短路的針加載［1］、縫隙耦合［5］、不同的饋電結構［6］和空氣橋［7，8］等技術來提高端口間的隔離度；采用阻抗匹配網絡、縫隙耦合［9］、多層介質基片［10］以及降低品質因數Q（即增大介質基板厚度或減小其介電常數）等手段來展寬天線帶寬；引進高阻抗表面（High Impedance Surface，HIS）［11，12］、純電抗表面（Reactive Impedance Surface，RIS）［13］、超材料［14］、分形結構［15］和表面開槽等方法來對天線進行小型化.

為了能夠達到上述提到的天線性能，本文在文獻［3］中提出的天線結構基礎上，設計了一個性能更好的雙極化微帶縫隙天線.通過采用不同的饋電結構來提高天線兩端口的隔離度，經過仔細調整其饋電位置，兩端口的隔離度可以達到35dB.在地板上增加縫隙來展寬天線帶寬、實現小型化和調節(jié)端口匹配.該天線與文獻［3］中的天線相比，隔離度更高、帶寬更寬、尺寸更小，小型化的同時也提高了天線性能.

2 天線結構設計

本文提出的雙饋雙極化微帶縫隙天線的幾何結構如圖1所示.該天線的整體尺寸為105×105×1.6mm3，采用的介質基板為FR4，其厚度為1.6mm，相對介電常數為4.4，損耗角正切為0.002.天線的上表面是兩個不同結構的微帶饋電線，并放置在相互對立的位置，下表面是地板，同時在地板的正中間開了一個正八邊形縫隙，在它的兩個角上開了兩個大小不同的矩形縫隙，其中窄矩形縫隙用編號⑦表示，另外為了減小天線尺寸和展寬其工作帶寬，還開了6個形狀大小完全相同的十字形縫隙，分別用編號①～⑥表示，縫隙①③⑤和②④⑥分別一一對應并關于y軸對稱，十字形縫隙由兩個相互垂直的窄矩形縫隙組成.縫隙①③⑤⑦的中心位置用坐標表示分別為（d1，d2）（dx，0）（d1，-d2）（0，dy），其他結構的位置和尺寸如圖中參數所示.

本文采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0對設計的天線進行仿真優(yōu)化，其性能達到最佳時的尺寸如表1所示.

表1　天線尺寸（單位：mm）

3 天線的性能研究

眾所周知，正八邊形是圓形的近似，而一個圓形縫隙可以支撐著兩個相互垂直的退化的TE11模式［3］.因此，一個正八邊形縫隙同樣可以支撐著垂直極化模式和水平極化模式，如圖2（a）和2（b）所示，圖2展示的是天線工作在2.2GHz時正八邊形縫隙里的電場分布情況.當從端口1饋電，端口2接50Ω匹配負載時，電場沿x軸方向分布，該天線輻射水平極化波；相反，當從端口2饋電，端口1接50Ω匹配負載時，電場主要沿 y軸方向分布，該天線輻射垂直極化波.

3.1隔離度

為了提高天線兩端口間的隔離度，本文采用了兩個不同結構的微帶饋電線，即端口1的曲折微帶線和端口2的階梯狀微帶線，并將其放置在相互對立的位置，正如圖1所示.在決定采用該饋電結構之前，討論了其他兩種饋電方式，即兩個端口的饋電線均為曲折（或階梯狀）微帶線，并置于相互垂直的位置.從仿真結果可以看出，后兩種饋電結構隔離度比本天線采用的饋電結構隔離度差了約25dB，由于本天線采用的階梯狀饋電線和曲折饋電線相互正交，后者通過縫隙耦合能適當的抑制高次模，而且兩饋電線放置在對立的位置上，遠離彼此，產生的電場相互垂直，彼此間的干擾較小，因此能大大提高兩個端口間的隔離度.所以本文采用了如圖1所示的饋電結構.

3.2小型化和寬頻帶

天線的小型化是指其工作在相同頻帶范圍內天線結構尺寸變小，或天線結構不變的情況下可以工作在更低的頻帶范圍內.

出于對成本及加工制作難度的考慮，最簡單有效的方法就是在地板上開縫隙，通過延長電流在地板表面流過的路徑來降低其諧振頻率，從而達到小型化目的.因此，最初的方法就是在地板上增加十字形縫隙①②⑤⑥，采用該方法前后兩端口的S參數仿真結果如圖3（a）所示.從圖中可以看出，增加縫隙①②⑤⑥之后，兩端口的諧振頻率都明顯降低，因此該方法可以有效的對天線進行小型化，但在-10dB阻抗帶寬范圍內其性能并不優(yōu)異.又通過開縫隙的方法使天線在工作頻率附近增加諧振點，從而擴展天線的帶寬.所以嘗試增加了縫隙③和④，其仿真結果仍如圖3（a）所示，可以發(fā)現此時有兩個非常明顯的諧振點，有利于展寬天線帶寬.因此，在該天線原有結構的基礎上增加十字形縫隙不但有利于減小天線尺寸，還可以在一定范圍內改善天線性能.

3.3阻抗匹配與增益

通過以上討論，將天線表面尺寸減小為105× 105mm2，然后進行優(yōu)化設計使兩個端口分別匹配，并實現寬頻帶性能.

由于天線的高隔離度性能，兩端口之間影響較小，因此在調節(jié)匹配時可以分別進行.端口1的帶寬主要受到矩形縫隙大小和饋電位置a的影響，因此主要通過調節(jié)參數l2、w2和a的大小來實現匹配；端口2的匹配問題主要通過調節(jié)階梯狀微帶線尺寸以及縫隙⑦來解決.

在確定采用窄矩形縫隙⑦之前也進行了一系列討論，最初的方法是將縫隙⑦設定為同樣的十字形縫隙，從仿真結果可以看出，雖然能夠在寬頻帶范圍內實現匹配，但是從端口2饋電時天線的增益較小，因此，將十字形縫隙改為了窄矩形縫隙⑦.分別采用十字形縫隙和窄矩形縫隙時天線增益仿真結果如圖3（b）所示，從圖中可以發(fā)現，采用窄矩形縫隙時天線增益明顯優(yōu)于采用十字形縫隙時的增益，這是因為窄矩形縫隙不但能很好的調節(jié)2端口的匹配，使更多的能量用于天線的輻射，而且窄矩形縫隙與十字形縫隙相比，前者相當于增大了地板表面積，可以使更多的能量反射到天線的最大輻射方向上，從而提高天線的增益.

4 天線的實測結果與分析

根據仿真優(yōu)化得到的天線最優(yōu)尺寸，加工制作了天線實物，如圖4所示.利用Agilent N5230C矢量網絡分析儀測試天線的S參數特性，測試與仿真結果如圖5（a）所示.從圖中可以看出，仿真結果和測試結果有些許差異，這是由于測量誤差、電纜損耗以及加工精度不夠高引起的，但曲線變化趨勢和諧振點的位置還是比較吻合.也可以從圖中觀察到：端口1和端口2小于-10dB的測試阻抗帶寬分別為1120MHz（1.67～2.79GHz，51%）和1180MHz（1.63～2.81GHz，54%），兩個端口的帶寬都能覆蓋LTE的工作帶寬1.71～2.69GHz；在整個工作頻帶內（1.71～2.69GHz），兩端口之間的仿真隔離度接近40dB，測試結果仍高于35dB.

從天線的S參數特性可以發(fā)現，其性能和文獻［1］和［16］中提出的天線性能類似，但是本文提出的天線在獲得高隔離度的同時，結構更簡單、剖面更低、尺寸更小.和文獻［3］中設計的天線相比，本文設計的天線尺寸更小，減小了51%；兩個端口的共同帶寬更寬，展寬了5%；隔離度更高，高出2dB.

天線的仿真及測試增益如圖5（b）所示，在1.71～2.69GHz頻帶范圍內，兩端口的增益均高于3.1dB，其最大增益約為5.1dB.

圖6分別給出了天線在1.8GHz，2.0GHz，2.5GHz處各端口E面和H面實測及仿真輻射方向圖.當測試某一端口時，另一端口接50Ω匹配負載.從圖中可以看出，天線在E面始終呈“8”字形輻射，說明天線在E面輻射性能較穩(wěn)定；從端口1饋電時，H面的輻射性能隨著工作頻率升高而逐漸惡化；從端口2饋電時，H面近似于全向輻射，類似于偶極子天線.天線的交叉極化隨著頻率升高會輕微惡化，但是在最大輻射方向上交叉極化電平在整個工作頻段內均低于-20dB，天線輻射性能較好.

5 結束語

本文設計了一個寬帶高隔離度低剖面雙極化微帶縫隙天線.利用不同的饋電結構來提高天線隔離度，同時采用開槽技術來展寬天線帶寬、減小天線尺寸和調節(jié)匹配.測試結果表明，該天線兩個端口的阻抗帶寬分別為 1120MHz（1.67～2.79GHz，51%）和 1180MHz （1.63～2.81GHz，54%），兩端口之間的隔離度在整個工作頻段范圍內高于35dB，主瓣交叉極化電平低于-20dB.該天線性能優(yōu)異，體積較小，結構簡單，便于加工制作，適用于移動通信的實際應用中.

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張健豐 男，1990年9月生于重慶萬州.現為解放軍理工大學通信工程學院碩士研究生.主要研究方向為天線技術和微波毫米波技術.

E-mail：zjf1qaz@163.com

李平輝 男，1966年1月生于福建福州.現為解放軍理工大學副教授、碩士生導師.主要研究方向為微波電路設計、天線技術及電磁場數值計算.

E-mail：lph8210@126.com

Design of Wideband Dual-Polarized Microstrip Antenna with High Isolation

ZHANG Jian-feng，LI Ping-hui，ZHU Tong

（College of Communications Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210007，China）

Dual-polarized antennas have aroused much attention in wireless communication systems due to the excellent performance of polarization diversity.Therefore，a broadband dual-polarized microstrip slot antenna with high port isolation is proposed.Two feeder lines of different structures are employed to excite the horizontal and vertical polarization modes and obtain high port isolation.Furthermore，the broadband and miniaturization characteristics of the antenna are achieved by etching slots on the ground plane.The simulation results indicate that the bandwidth of port 1 and port 2 are 51%and 62% respectively，and the port isolation is higher than 40 dB from 1.71GHz to 2.69GHz.It has a simple structure and is suitable for practical applications of mobile communications.

dual-polarized；high port isolation；broadband；slot antenna

TN82

A

0372-2112（2016）04-0775-05

電子學報URL：http：//www.ejournal.org.cn 10.3969/j.issn.0372-2112.2016.04.004

2015-04-20；

2015-07-26；責任編輯：覃懷銀