微帶貼片天線隔離度方法的研究綜述

武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì) 余 陽(yáng)

微帶貼片天線隔離度方法的研究綜述

武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì) 余 陽(yáng)

隨著天線逐漸向小型化方向發(fā)展，天線間距離越來(lái)越近，互耦現(xiàn)象變得尤為突出。因此降低天線間的耦合，增加天線的隔離度顯得尤為重要。文章主要對(duì)近年來(lái)研究人員研究的增加微帶貼片天線隔離度的各種方法進(jìn)行了歸納與總結(jié)，為日后進(jìn)一步的研究提供參考性意見(jiàn)。

微帶貼片天線；隔離度；耦合

0 引言

微帶貼片天線具有體積小、重量輕，能同有源電路集成，便于獲得圓極化、雙極化和雙頻段等多功能工作的優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于無(wú)線電設(shè)備中，尤其是飛行器上和地面便攜式設(shè)備中，且天線布局的越來(lái)越密集，與天線密集布置相伴的是嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題。電磁干擾主要傳輸途徑是天線間的耦合。常用隔離度來(lái)定量表征這種耦合的強(qiáng)弱程度，它定義為一個(gè)天線發(fā)射功率與另一天線所接受功率之比，用dB來(lái)表示?？v觀增加天線隔離度各種方法，可以將它們分成三類(lèi)，分別是正交極化法、抵消法和改變天線布局。本文僅就上述幾種方法做一簡(jiǎn)要介紹和分析對(duì)比。

1 正交極化法

即是接收與發(fā)射天線采用相互正交的極化方法，增大天線的隔離度。雙極化貼片天線就是此種方法的一個(gè)典型的例子。一般雙極化貼片天線有兩個(gè)端口，兩端口發(fā)射的是兩種正交的極化波，雖然雙極化貼片天線種類(lèi)很多，但根據(jù)它們采用的饋電技術(shù)可以分為三類(lèi)，分別是用同軸共軸、用孔徑耦合和用微帶線進(jìn)行饋電的雙極化貼片天線[1]，如圖1所示。

圖1 (a)同軸共軸(b)孔徑耦合(c)微帶線饋電的貼片天線

圖2 端口隔離度測(cè)試結(jié)果圖

文獻(xiàn)[1]用仿真軟件對(duì)這三種雙極化貼片天線的隔離度和交叉極化水平進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2和圖3所示，為保證公平性，天線的中心頻率均為2.8GHz。將結(jié)果歸納至表一中，可以看出三種貼片天線均有一定的隔離效果，但孔徑耦合饋電型貼片天線無(wú)論從隔離度還是極化水平均比另外兩種天線的效果好。當(dāng)然，此極化貼片天線只是一種最基本的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在極化貼片天線結(jié)構(gòu)多種多樣，有的還將幾種饋電方式結(jié)合起來(lái)一起使用，且不再是單層或雙層結(jié)構(gòu)，而是多層結(jié)構(gòu)的微帶陣列天線，隔離效果也更好[2-4]。

表1 三種極化貼片天線隔離度和極化水平測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 抵消法

抵消法的原理是：在兩天線之間人為開(kāi)辟一耦合通道，使之與原耦合相互抵消，達(dá)到隔離效果。比較常見(jiàn)的一種方法是通過(guò)設(shè)置饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)抑制天線之間的相互耦合。饋電網(wǎng)絡(luò)去耦的原理是利用陣元間產(chǎn)生的耦合與新引入的饋電網(wǎng)絡(luò)相互抵消，從而降低耦合度。比較常用的方法是在兩天線的中間引入產(chǎn)生與耦合電流相反的隔離陣子，陣元之間的耦合與隔離陣子所形成的附加耦合正好抵消。有兩種方式可以產(chǎn)生反向電流：一種是通過(guò)引用中和線技術(shù)，用一條金屬帶連接兩個(gè)天線單元，人為地引入與耦合電流的相位相反的電流[6]；另一種是改變隔離陣子的形狀，使其產(chǎn)生反向電流[5,7-9]。

圖4 方向耦合隔離的饋電結(jié)構(gòu)

如圖4所示，文獻(xiàn)[9]在天線的陣元之間引入了一個(gè)隔離陣子，其形狀呈十字型，饋電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電流方向分析如圖5所示。由于天線關(guān)于x-z平面是完全對(duì)稱的，理想差分信號(hào)作用于端口1，使得電流關(guān)于x-z平面也是完全對(duì)稱的，且在端口2上產(chǎn)生的激勵(lì)的幅度和相位也是相同的。由于虛擬交流地線的存在，抑制了共模信號(hào)，也使得差分信號(hào)不能耦合到端口2。理論上，此時(shí)天線端口的隔離度是無(wú)限大的。但實(shí)際上，理想的差分信號(hào)是無(wú)法產(chǎn)生的且也不可能制造出完全對(duì)稱的天線。因此天線之間雖不能達(dá)到完全隔離，但這種饋電結(jié)構(gòu)能大大降低天線的隔離度。

圖5 天線的饋電和輻射結(jié)構(gòu)的電流方向分析圖

文獻(xiàn)用仿真軟件對(duì)隔離度測(cè)試結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出，隔離效果非常好，基本都在-40dB到-55dB之間。

圖6 端口隔離度測(cè)試結(jié)果圖

4 改變天線的結(jié)構(gòu)

為了提高微帶貼片天線的隔離度，我們已發(fā)現(xiàn)出許多結(jié)構(gòu)能有效降低微帶天線間的耦合，例如電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)去耦，人工導(dǎo)向介質(zhì)（SRR）結(jié)構(gòu)去耦等。這些結(jié)構(gòu)去耦的原理也比較相似，均是在天線介質(zhì)中加入這些結(jié)構(gòu)，而它們能夠阻礙或抑制表面波的傳播，達(dá)到去耦的目的，從而增大天線間的隔離度。周期性的EBG結(jié)構(gòu)在某一頻段范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的帶阻或帶通效應(yīng)，能有效抑制表面波的傳播[10]。SSR結(jié)構(gòu)則能夠產(chǎn)生電諧振，諧振會(huì)抑制某些頻段的電磁波，從而阻礙表面波的傳播。還有最新提出來(lái)的非周期RAMC結(jié)構(gòu)，是一種新型球面投影人工平面材料，類(lèi)似于一個(gè)圓柱形金屬反射器可強(qiáng)聚焦電磁波，降低天線交叉極化水平，增加隔離度。[11]

除金屬板的結(jié)構(gòu)，隨之接地板與微帶線之間的電場(chǎng)分布就改變了，從而對(duì)某一頻段電磁波起到濾波作用，因此提高了天線間的隔離度。例如文獻(xiàn)[11]指出六邊形貼片天線的端口隔離度很高，在8GHz的中心頻率下隔離度能達(dá)到40dB[12]；還有近年來(lái)缺地陷結(jié)構(gòu)（DGS）是一種比較熱門(mén)、使用較多的結(jié)構(gòu)，許多天線設(shè)計(jì)都采用DGS結(jié)構(gòu)增加天線的隔離度，而且形狀各異，有H型的，有并列鋸齒形狀的，這里就選擇其中的一種DGS結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)了這兩種方法外，還有僅單純地改變天線行簡(jiǎn)要地介紹，并分析其隔離效果[13-15]。

缺地陷結(jié)構(gòu)（DGS）是1999年韓國(guó)學(xué)者提出來(lái)的，在天線的金屬接地板上開(kāi)出一條啞鈴型縫隙，由于這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又便于實(shí)現(xiàn)，不需要開(kāi)辟其他的空間單元或是增加額外電器件，就能夠?qū)崿F(xiàn)天線振元間的互耦，受到人們高度重視。如圖7所示，文獻(xiàn)[15]在微帶貼片天線中采用了DGS結(jié)構(gòu)，并對(duì)天線的隔離度進(jìn)行了測(cè)試。

圖7 使用DGS結(jié)構(gòu)的微帶貼片天線示意圖

由于天線結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，S21=S12。因此。耦合系數(shù)只需要看S12即可。對(duì)天線建模仿真，結(jié)果如圖8所示。

圖8 DGB結(jié)構(gòu)天線的耦合系數(shù)圖

由圖8可知，天線陣陣元之間的耦合系數(shù)達(dá)到-35dB,去耦效果明顯，得到了很好的隔離效果。

5 結(jié)論

綜合以上各類(lèi)方法，現(xiàn)將每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如下表2?？傮w來(lái)說(shuō)，增加微帶貼片天線的方法很多，方法不單一，并且綜合使用各類(lèi)方法可以得到更好的隔離效果。當(dāng)然這些方法不僅適用于微帶天線，對(duì)其他天線和天線陣也適用，但是要想設(shè)計(jì)出一款經(jīng)濟(jì)化、微型化、高集成化而且隔離效果良好的天線，還需在此基礎(chǔ)上不斷地探索創(chuàng)新。

表2 三種方法優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)比表

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