微帶貼片天線去耦結構研究

李敏

（南京郵電大學電子科學與工程學院，江蘇南京210003）

天線相互之間的耦合對無線通信和各種探測系統(tǒng)的性能都有著一定的影響[1-5]，一般互耦會惡化收發(fā)隔離度、降低系統(tǒng)容量、引入掃描盲點等，從而影響到整個系統(tǒng)的性能。因此研究如何減小或者消除鄰近天線之間的耦合問題有著非常實際的應用價值。

傳統(tǒng)方式是采用正交輻射模式分析天線間的耦合[6]，這種分析方式隔離度可以達到20 dB到30 dB。最近文獻[3]中提出利用場對消方法的間接去耦?；趫鰧ο碚揫7-14]的對稱金屬條帶的去耦結構在-10 dB匹配帶寬（80 MHz）下隔離度測量結果可以達到35 dB。

文中設計了一種含有對稱T型金屬條帶的微帶線去耦結構，此結構所產(chǎn)生的耦合場有相當一部分被束縛在條帶與地平面之間，從而可以改善微帶天線間的隔離度來實現(xiàn)去耦的目的，從而避免由于兩天線之間靠的太近從而惡化收發(fā)隔離度，降低系統(tǒng)容量、引入掃描盲點以及影響系統(tǒng)的設計精度而產(chǎn)生相互干擾。電磁仿真軟件仿真結果表明該結構比文獻[3]提出的對稱金屬條帶去耦結構在-10 dB帶寬內(nèi)隔離度提高了近6 dB，符合對稱T型金屬條帶的微帶線去耦結構的設計要求。

1 天線的去耦設計

文中的去耦合設計是在文獻[3]所提結構基礎上的一種改進設計，文獻[3]所提去耦結構如圖1，圖2所示，在兩個貼片天線之間設計了一個垂直放置的電路板，電路板的高度為10mm，電路板上設計為一種對稱金屬條帶結構，如圖2所示。如果電路板上全是金屬貼片或者一部分金屬貼片時，此時的去耦效果并不理想只能達到25 dB，如果電路擋板上只含有一個金屬條帶時它們的去耦效果同樣不夠理想也只能達到25 dB左右。因此這種結構的去耦高效性是金屬墻和金屬條帶共同作用的效果。饋電方式是同軸線底部饋電。此結構具體尺寸如表1所示。

圖1 金屬條帶型俯視圖

圖2 金屬條帶型中垂直電路板結構圖

表1 金屬條帶型貼片天線尺寸

文獻[3]提出該對稱金屬條帶型結構測量結果表明在-10 dB匹配帶寬（80 MHz）下隔離度可以達到35 dB，而且在保持高效的去耦的同時對天線的輻射方向具有一定矯正作用，且并不會影響兩貼片天線未加去耦時的增益。

本文在上面所描述的對稱金屬條帶的結構基礎上設計出一個中心頻率5.8 GHz，-10 dB帶寬為80 MHz的對稱T型金屬條帶結構，且在-10 dB匹配帶寬內(nèi)隔離度最低可以達到41 dB，且不能影響兩貼片天線未加去耦時的方向圖。

對稱T型金屬條帶去耦結構的俯視圖同圖1所示的對稱金屬條帶去耦結構的俯視圖相同，饋電方式不變采取同軸饋電的方式，唯一不同點是在兩貼片天線間的垂直電路板上的條帶的形狀不同，具體結構如圖3所示。

圖3 T型金屬條帶中電路板結構圖

對稱T型金屬條帶的微帶天線去耦結構的細節(jié)如圖1，圖3所示。天線基板尺寸L0×W0=44.56mm×30mm，兩貼片天線尺寸是Lp×Wp=13.05mm×13mm，兩貼片天線間的中心間距dc=14.56mm，兩貼片天線間的邊到邊的距離為1.5mm，其中天線的基板材料為R04003，厚度h=1.524mm，相對介電常數(shù)為3.55，中間垂直放置的電路板的材料和基板一樣（RO4003），相對介電常數(shù)不變依然是3.55，具體結構如圖3所示，其厚度Wm=0.508mm，寬度Lp=30mm，高度Hw=10mm。此結構的尺寸同對稱金屬條帶型結構的尺寸幾乎一致，改動并不很大。唯一不同在于“一”字條帶改成了T型結構。

2 仿真結果及分析

利用電磁仿真軟件HFSS建立對稱T型金屬條帶的微帶天線去耦結構的模型，且對此結構中的參數(shù)Ld，Hg，Hw，Lm，W，Wd，W0進行仿真優(yōu)化，參數(shù)的優(yōu)化結果如表2所示。

表2 T型金屬條帶型貼片天線尺寸

通過HFSS仿真結果所知該T型金屬條帶結構貼片天線的-10 dB帶寬，兩貼片天線之間的隔離度，輻射性能（方向圖）都較好，符合設計的要求，尤其是在天線的匹配帶寬內(nèi)隔離度具有大幅度的提升。具體仿真結果曲線如圖4所示。

圖4 T型同金屬條帶型結構S11對比

由圖4所示對稱T型金屬條帶去耦結構和文獻[3]提到的對稱金屬條帶型去耦結構相比，這兩種結構的S11曲線幾乎重疊在一起。因此它們的S11值幾乎相同，原因是我們只改變電路板上條帶的結構并不會影響它們的S11曲線，且它們的-10 dB的帶寬為80 MHz（5.76 GHz到5.84 GHz），其相對帶寬為1.4%，略小于無去耦時的相對帶寬，但符合該天線的工作要求。

圖5是加入對稱T型金屬條帶的去耦結構同對稱金屬條帶型去耦結構，未加任何去耦結構時在天線的-10 dB帶寬匹配的情況下隔離度的對比。

圖5 T型同金屬條帶型結構S21對比

從圖5的HFSS仿真結果可以看出，在中間加對稱T型金屬條帶的結構效果比文獻[3]中提到的對稱金屬條帶隔離度提高了近6 dB。在天線的-10 dB匹配帶寬下隔離度最低可以達到41.5 dB。同未加去耦結構相比，該結構在匹配帶寬的情況下隔離度最低改善了近36.5 dB。因此這種結構對緊密擺放的兩貼片天線之間的耦合具有很好的抑制作用。

一般來說兩個貼片天線之間的間隔越小相互耦合越強，以上討論的是二貼片天線間邊到邊的距離為1.5mm時的情況。下面我們看看兩個貼片天線間的距離為2.5mm時的變化情況。具體結構參數(shù)以及通過HFSS仿真軟件優(yōu)化獲得的T型金屬條帶的尺寸如表3所示。

表3 對稱金屬條帶型貼片天線的尺寸

圖6是此結構中兩貼片天線之間的邊到邊距離為2.5mm時增加了對稱T型金屬條帶去耦結構后的S21數(shù)據(jù)，圖中虛線一個是未加任何去耦結構時的S21數(shù)據(jù)，另一個是兩貼片天線之間的邊到邊為1.5mm時增加了對稱T型金屬條帶去耦結構后的S21數(shù)據(jù)，這3種情況的具體對比數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

圖6 貼片之間不同距離仿真對比圖

從圖6的HFSS仿真結果可知，當兩貼片之間的邊到邊距離為2.5mm時，該結構的天線在-10 dB匹配帶寬（5.76 GHz到5.84 GHz）下隔離度可以達到38 dB。同兩貼片間的邊到邊距離為1.5mm相比，它的去耦效果有所降低，降低了近2.5 dB，影響不大。因此，這種去耦結構是可以適用在兩貼片間的任何距離的情況。

圖7是加入對稱T型金屬條帶結構同未加入任何去耦結構時的天線輻射E面方向圖[15-16]之間的對比曲線，圖中虛線是未加任何去耦結構時的數(shù)據(jù)曲線，實線是加入對稱T型金屬條帶時的數(shù)據(jù)曲線，具體對比結果如圖7所示。

圖7 天線A1在5.8 GHz處E面方向圖

圖8是加入對稱T型金屬條帶結構同未加入任何去耦結構時的天線輻射H面方向圖之間的對比曲線，圖中虛線是未加任何去耦結構時的數(shù)據(jù)曲線，實線是加入對稱T型金屬條帶時的數(shù)據(jù)曲線，具體對比結果如8圖所示。

圖8 天線A1在5.8 GHz處H面方向圖

由圖7可知加了對稱T型金屬條帶去耦結構后的E面的最大方向在0°，H面的最大方向向左偏移了20°，而未加去耦結構時，天線E面的最大方向在0°，H面的最大方向因為耦合的影響向右偏移了30°。因此，去耦結構對天線的輻射方向圖也有一定的改善作用尤其還改善了天線H面方向圖在-30°到30°范圍內(nèi)的增益的平坦度。且天線增益保持為4.7 dBi。

3 結論

針對緊密放置微帶天線間存在強互耦以及進一步提高天線間的隔離度問題，設計了基于場對消方法的對稱T型條帶的去耦結構。該方法的機理是利用不同的條帶結構所產(chǎn)生的附加耦合來解決互耦，進一步提高緊密放置微帶天線間的隔離度。由HFSS仿真可知這種結構的天線帶寬，隔離度都符合要求，同時還能對保持良好的天線輻射性能情況下，還能對天線的輻射方向具有一定矯正作用。

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