具有缺陷地結(jié)構(gòu)的低耦合陣列天線設(shè)計(jì)

王新延 高振斌 鄭宏興

摘要 基于缺陷地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款低耦合陣列天線，該天線工作頻率為5.8 GHz，整體尺寸為45 mm × 55 mm × 1.52 mm。缺陷地結(jié)構(gòu)呈左右兩側(cè)帶有鋸齒的條狀，組成2×1陣列的形式加載至接地表面。在天線陣元邊到邊間距為0.050 2 λ0的前提下，天線在5.8 GHz處的耦合度降低了28.8 dB，主瓣增益提升了0.3? dB，同時(shí)天線尺寸減小了0.57 mm，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)低于0.03，滿足S11 < -10 dB的工作帶寬有170 MHz（5.722～5.892 GHz）。結(jié)果表明該缺陷地結(jié)構(gòu)可以有效地抑制沿H面放置的天線表面波傳播，改善天線陣元間的互耦。

關(guān) 鍵 詞 陣列天線;H面耦合;缺陷地結(jié)構(gòu);包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

中圖分類號(hào) TN82? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract A low-coupling array antenna with small size of 45 mm×55 mm×1.52 mm is presented based on defected ground structure （DGS）. The antenna elements are placed in H-plane coupling and the working frequency is 5.8 GHz. The DGS unit is a strip serrated on both sides， which is inserted between antenna elements in a 2×1 array form. The reduction of 28.8dB in the mutual coupling between two antennas with 0.050 2 λ0（edge-to-edge distance）at 5.8 GHz and improvement of 0.3 dB in gain， a? shortening? of 0.57 mm in size， bandwidth of 170 MHz （5.722-5.892 GHz） in S11 < -10 dB and the envelope correlation coefficient （ECC） less than 0.03. The results show that the DGS can effectively suppress the surface wave propagation and reduce the mutual coupling between the antenna elements.

Key words array antenna; H-plane coupling; DGS; ECC

0 引言

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)快速發(fā)展，用戶對(duì)信道容量和通信質(zhì)量要求越來(lái)越高，微帶天線因其制作簡(jiǎn)單、尺寸小、低剖面、單向輻射等特性常以陣列的形式應(yīng)用于衛(wèi)星和醫(yī)療系統(tǒng)[1]。微帶陣列天線充分利用空間資源在不增加帶寬和發(fā)射功率的前提下滿足用戶需求。但在有限的空間放置多個(gè)天線陣元激發(fā)的互耦效應(yīng)嚴(yán)重影響了天線性能進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)失真影響整個(gè)通信系統(tǒng)。微帶天線陣元間的互耦通常由空間波和表面波共同激發(fā)而成，文獻(xiàn)[2]介紹了在微帶天線中，除了由直接輻射形成的空間波以外，還可以激發(fā)表面波從而產(chǎn)生軸向輻射，這些表面波能夠傳播到輻射貼片外部的介質(zhì)板中以地表面電流的形式傳遞耦合能量。文獻(xiàn)[3]研究表明當(dāng)介質(zhì)板較厚（厚度大于0.3×λ0×εr（?1/2）/（2×π））、介電常數(shù)較大時(shí)，激發(fā)的表面波模式數(shù)量就會(huì)明顯增多，此時(shí)表面波強(qiáng)于空間波。反之，空間波占主導(dǎo)地位。因此，針對(duì)微帶陣列天線的去耦合研究至關(guān)重要。為解決微帶陣列天線設(shè)計(jì)中存在的耦合問(wèn)題，適應(yīng)天線小型化的發(fā)展，通常采用缺陷地結(jié)構(gòu)，這種方法對(duì)于表面波耦合的抑制是最有效、最容易實(shí)現(xiàn)的。相比較電磁帶隙結(jié)構(gòu)[4-5]，不需要在介質(zhì)中添加周期性過(guò)孔或復(fù)雜缺陷結(jié)構(gòu)，加工簡(jiǎn)便。文獻(xiàn)[4]將帶有通孔的蘑菇型電磁帶隙結(jié)構(gòu)應(yīng)用于兩單元微帶陣列天線間，在天線邊到邊間距為0.75λ0的前提下，端口間隔離度提高了8 dB。但該結(jié)構(gòu)涉及打孔，這在電損耗和加工制作成本方面是不占優(yōu)勢(shì)的;文獻(xiàn)[5]采用了一種平面的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，以兩排并列的缺陷圖案加載在接地表面，消除了對(duì)通孔的需要，但其周期性排布的結(jié)構(gòu)特性增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，占用了天線間較大的空間面積，這對(duì)于逐漸受限的天線應(yīng)用平臺(tái)來(lái)說(shuō)，存在局限性。典型的缺陷地結(jié)構(gòu)有開(kāi)口諧振器[6]、H形[7]、矩形[8-9]、“I”形[10]等，其中：文獻(xiàn)[6]采用互補(bǔ)型開(kāi)口諧振器來(lái)抑制沿E面放置的兩單元微帶天線間的耦合，實(shí)現(xiàn)了在天線間距為0.25λ0的條件下，隔離度提高10 dB的效果;文獻(xiàn)[8]中，將矩形縫隙結(jié)構(gòu)加載至接地表面，在天線間距僅有0.058λ0時(shí)，5.8 GHz處的耦合度達(dá)到28 dB，解決了沿E面放置的微帶陣列天線的耦合。上述主要集中于E面放置的陣列天線的耦合抑制，針對(duì)H面去耦研究，文獻(xiàn)[9-10]分別將“雙矩形”和“I”形結(jié)構(gòu)加載至天線陣元正下方的接地表面，在有效抑制沿H面放置的微帶陣列天線表面波耦合的同時(shí)，由于缺陷結(jié)構(gòu)接近同軸饋源，導(dǎo)致天線的匹配特性受到嚴(yán)重干擾。

本文通過(guò)加載2×1陣列形式的缺陷地結(jié)構(gòu)，在保證天線物理和電氣特性穩(wěn)定的前提下有效地抑制了微帶陣列天線的H面耦合。采用構(gòu)造帶阻濾波器的方式完成缺陷地結(jié)構(gòu)的濾波特性分析和尺寸確立，其中心頻率為5.8 GHz，加載至天線接地表面。利用HFSS仿真軟件對(duì)比分析了天線特性隨缺陷地結(jié)構(gòu)的加載形式和參數(shù)尺寸變化的規(guī)律，查看天線加載缺陷地結(jié)構(gòu)前后的S參數(shù)、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射增益和地表面電流分布情況。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，加載缺陷地結(jié)構(gòu)后，天線在中心頻率的隔離度提高了28.8 dB，主瓣增益提升了0.3 dB，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性。

1 缺陷地結(jié)構(gòu)帶阻濾波器

采用構(gòu)造帶阻濾波器的方式對(duì)缺陷地結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率特性分析，圖1a）給出了帶阻濾波器仿真模型，介質(zhì)材料采用聚四氟乙烯（PTFE），其tan δ = 0.001 8，εr = 3.5，H = 1.52 mm。缺陷地結(jié)構(gòu)腐蝕在介質(zhì)板下表面，上表面是特性阻抗為50 Ω的微帶線，利用HFSS仿真軟件查看兩端口之間的傳輸損耗系數(shù)S21。圖1b）給出了缺陷地結(jié)構(gòu)單元圖，圖中參數(shù)W2，L2，a，b，c為確定缺陷地結(jié)構(gòu)的形狀，其初始取值分別為W2 = 0.5 mm，L2 = 16.85 mm，a = 2.48 mm，b = 0.7 mm，c = 3.24 mm。

接下來(lái)在保持結(jié)構(gòu)其他參數(shù)大小不變的前提下，重點(diǎn)分析了參數(shù)b和c對(duì)缺陷地結(jié)構(gòu)濾波特性的影響，分別如圖2和圖3所示。圖中帶阻諧振頻率隨兩參數(shù)尺寸的增大而降低。因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)該參數(shù)尺寸進(jìn)而改變微帶線的分布電抗以達(dá)到調(diào)節(jié)缺陷地結(jié)構(gòu)帶阻頻率特性的目的。另外在5.67 GHz至5.94 GHz的頻段內(nèi)，插入損耗的值均小于-20 dB，其在5.8 GHz頻率附近的S21值接近-21.8 dB。

2 陣列天線設(shè)計(jì)與分析

將缺陷地結(jié)構(gòu)組成陣列加載至接地表面，設(shè)計(jì)了一款低耦合微帶陣列天線，如圖4所示。天線的工作頻率為5.8 GHz，同樣選用材質(zhì)為PTFE的介質(zhì)板，其尺寸為W×L。介質(zhì)板下表面全部印刷有接地面;矩形貼片沿中心軸線對(duì)稱地印刷在介質(zhì)板的上表面，尺寸為L(zhǎng)1 × W1，天線陣元間距為t;矩形貼片采用同軸饋電技術(shù)沿H面耦合放置;饋電中心到輻射貼片中心間距為G，饋源內(nèi)芯尺寸R = 0.6 mm，提供50 Ω匹配阻抗;缺陷地結(jié)構(gòu)呈2×1陣列的形式，陣元間隔為k。

在低耦合微帶陣列天線的設(shè)計(jì)中，為了能夠使天線產(chǎn)生高效率輻射，其陣元的貼片尺寸和同軸饋源的位置可根據(jù)微帶天線設(shè)計(jì)理論進(jìn)行估算[11]：

根據(jù)已知條件，利用式（1）至式（6）計(jì)算可得天線陣元和同軸饋電位置的初始尺寸為[W1]= 17 mm，[L1]= 13.2 mm，G = 2.8 mm。采用HFSS對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)掃描分析，綜合考慮其輻射增益、匹配特性、隔離度和工作帶寬等因素，最佳天線結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

為深入理解缺陷地結(jié)構(gòu)的去耦合性能，3種加載形式如圖5所示，所有結(jié)構(gòu)尺寸保持與表1一致，其中圖5a）表示將缺陷地結(jié)構(gòu)單元加載在微帶陣列天線接地面的正中間位置，圖中缺陷地結(jié)構(gòu)單元到貼片上下邊緣的距離均為d1 = 14.075 mm，即（L - L2）/2;圖5b）和圖5c）分別表示只保留上、下半部分的情況。

本文以常用的S參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)天線的去耦性能。S21隨缺陷地結(jié)構(gòu)不同加載形式的變化曲線如圖6所示。這里由于天線結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，S21與S12曲線一致，所以選取S21來(lái)表征天線陣元兩端口間的隔離度。圖中相比較沒(méi)有加載缺陷地結(jié)構(gòu)，其耦合度明顯得到改善。其中中間加載去耦效果較弱;而相對(duì)于加載2×1陣列的缺陷地結(jié)構(gòu)，其去耦效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及，這主要是由于2×1陣列結(jié)構(gòu)能夠被微帶天線的非輻射邊有效的激勵(lì)，改變接地表面電流分布，達(dá)到充分展現(xiàn)帶阻和慢波特性的目的。

為進(jìn)一步理解缺陷地結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響，對(duì)天線結(jié)構(gòu)中幾個(gè)重要參數(shù)b、c和k進(jìn)行掃描分析。圖7直觀地顯示b和c主要影響帶阻頻率特性，其表現(xiàn)為隨著b和c尺寸的增加，S21的諧振頻率逐漸向低頻偏移，這與文獻(xiàn)[3]描述的規(guī)律一致，為使微帶陣列天線在5.8 GHz處的隔離度最高，選取b = 0.7 mm，c = 2.29 mm。圖8表示k主要影響去耦深度，幾乎不影響去耦諧振頻率，在天線陣元間距t = 2.6 mm時(shí)，k取1.8 mm去耦效果最佳。

為更準(zhǔn)確表征缺陷地結(jié)構(gòu)的去耦效果，圖11描述了微帶陣列天線在5.8 GHz處加載缺陷地結(jié)構(gòu)前后地表面電流分布情況。加載缺陷地后，兩端口之間地表面電流密度明顯稀疏，電流主要集中在缺陷地結(jié)構(gòu)周圍，成功地阻礙了天線陣元間耦合能量的傳輸，實(shí)現(xiàn)了天線高隔離的特性，這里采取端口1激勵(lì)，端口2接50 Ω匹配負(fù)載的方式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1的尺寸制作出天線實(shí)物，如圖12所示。其中圖12a）表示天線的正面結(jié)構(gòu)，圖12b）表示背面結(jié)構(gòu)，可以看出該微帶陣列天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，尺寸小。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量微帶陣列天線S參數(shù)，圖13是天線S11和S21參數(shù)仿真與測(cè)量的對(duì)比曲線。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明天線頻率響應(yīng)特性較仿真結(jié)果稍有偏移，具體指其工作頻率為5.85 GHz，滿足S11 < -10 dB的帶寬為150 MHz （5.776～5.926 GHz），天線S21的中心頻點(diǎn)為5.875 GHz，稍微向高頻傾斜。同時(shí)在5.8 GHz處的隔離度為-20.19 dB，這主要是由于測(cè)量環(huán)境和天線實(shí)物加工設(shè)備的精確度等造成的誤差。但總體來(lái)說(shuō)，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果基本吻合，該天線性能優(yōu)良，滿足5.8 GHz處無(wú)線局域網(wǎng)的頻段要求。

包絡(luò)相關(guān)系數(shù)（ECC）和分集增益（DG）是用來(lái)評(píng)估天線陣元間的相關(guān)性的量[12]。一般來(lái)說(shuō)，ECC值越低代表越高的分集增益，理想狀態(tài)下分集增益的值為10 dB。利用式（7）來(lái)計(jì)算其值：

將實(shí)測(cè)和仿真得到的相關(guān)S參數(shù)值分別代入公式，計(jì)算ECC和DG結(jié)果如圖14和圖15所示。圖中ECC在整個(gè)工作頻帶內(nèi)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果小于0.03，相應(yīng)的實(shí)測(cè)和仿真的DG值均高于9.8 dB。表明該微帶陣列天線兩陣元間具有較低的相關(guān)性。

該緊湊低耦合陣列天線與已有文獻(xiàn)中的天線在結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度及性能方面的對(duì)比情況如表2所示。綜合考慮到天線的隔離度和結(jié)構(gòu)緊湊程度，文獻(xiàn)[3，6，8，13]顯示在降低耦合度性能上明顯不及，對(duì)比發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[14]在隔離度的提高方面較為突出，但是天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度有待降低。同時(shí)本文所提出的天線在間距僅有0.050 2λ0時(shí)實(shí)現(xiàn)了較高的隔離度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

采用一種2×1陣列形式的缺陷地結(jié)構(gòu)來(lái)抑制微帶陣列天線H面表面波耦合，該天線工作在5.8 GHz，整體尺寸為45 mm×55 mm×1.52 mm。采用構(gòu)造帶阻濾波器的方式對(duì)缺陷地結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行特性分析，詳細(xì)討論了缺陷地結(jié)構(gòu)不同加載形式和不同結(jié)構(gòu)尺寸下天線頻率特性的變化情況，對(duì)比分析了加載缺陷地結(jié)構(gòu)前后天線S參數(shù)、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射增益和地表面電流的分布特性。在分析論證的基礎(chǔ)上，完成天線結(jié)構(gòu)最佳尺寸的確立，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，加載該缺陷地結(jié)構(gòu)后，在保證天線匹配特性穩(wěn)定的前提下，ECC值均小于0.03，實(shí)現(xiàn)了低耦合微帶陣列天線的設(shè)計(jì)。

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