用于5.8 GHz頻段的低互耦圓形微帶陣列天線

司晴晴，曾慶生，石 源，張言東

(南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，南京 210016)

0 引 言

隨著移動無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的單輸入單輸出(Single-Input Single-Output, SISO)技術(shù)已不能滿足通信系統(tǒng)和眾多用戶的應(yīng)用需求。近年來，多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技術(shù)受到越來越多研究者的關(guān)注。大多數(shù)MIMO天線系統(tǒng)是由兩個或兩個以上天線單元組成的三維結(jié)構(gòu)[1-2]。微帶貼片天線具有體積小、重量輕、剖面低、制作簡單等優(yōu)勢，在MIMO天線系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

在不犧牲額外頻譜或功率的情況下，MIMO技術(shù)可以擴(kuò)展信道容量并提高數(shù)據(jù)傳輸速率[3]。然而，在越來越多以飛行器為載體的雷達(dá)和通信設(shè)備中，天線系統(tǒng)的小型化引起了陣元間嚴(yán)重的互耦和強(qiáng)烈的相關(guān)性，從而影響天線的方向圖、增益、工作帶寬等輻射性能[4]。因此，在5G微基站天線系統(tǒng)、星載相控陣天線以及其他一些MIMO無線通信系統(tǒng)中，減小耦合是一個亟待解決的問題[5]。

為了減小電磁干擾和輻射單元間的互耦，大多數(shù)去耦技術(shù)采用在陣元間加載去耦結(jié)構(gòu)，例如LC電路[6-7]、耦合諧振器電路[8-9]、傳輸線電路[10-11]、寄生散射元件[12-14]、中和線[15-16]、分裂環(huán)[17]、去耦匹配網(wǎng)絡(luò)(Decoupling and Matching Networks, DMN)[18]等。一些由四個單元組成的陣列天線采用將各單元正交放置的措施以增強(qiáng)隔離度[19-22]。文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)了一種不需要加載去耦結(jié)構(gòu)的新型自去耦天線，通過平衡天線單元間的電感耦合和電容耦合，使得互耦降低20 dB以上，但該天線的尺寸比較大。

電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)結(jié)構(gòu)具有頻率帶隙特性，能抑制表面波傳播，將其引入到陣列天線中能有效降低陣元間的互耦，提高天線增益[24-28]。文獻(xiàn)[24]分析了一種經(jīng)典的三維蘑菇狀EBG結(jié)構(gòu)，但兩個陣元間引入的這種經(jīng)典EBG數(shù)量太多，不便于制作和加工。除此以外，缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure, DGS)也是一種常用的去耦結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[29-31]分別使用了新型分形DGS、S型周期性DGS和鋸齒狀DGS，實(shí)現(xiàn)去耦合的目的。

上述都是基于單一去耦方法的研究進(jìn)展。近年來，不少學(xué)者提出將不同的去耦方法相互結(jié)合，從而達(dá)到更好的去耦效果[4, 25, 32]。

為了有效降低陣元間互耦，改善天線系統(tǒng)的輻射性能，本文設(shè)計(jì)了一種工作在5.725～5.85 GHz頻帶的去耦合圓形微帶貼片陣列天線。通過采用類E型EBG結(jié)構(gòu)和弧形縫隙DGS兩種去耦結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式，最終陣列天線在工作頻段內(nèi)的互耦降低45.4 dB，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(Envelope Correlation Coefficient, ECC)小于0.001，而且具有穩(wěn)定的方向圖?？紤]工程可行性，所設(shè)計(jì)的去耦天線體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，去耦結(jié)構(gòu)易于設(shè)計(jì)，具有較好的工程應(yīng)用價值。

1 天線設(shè)計(jì)與分析

1.1 參考陣列天線設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[33]，具有相同工作頻率的圓形貼片天線和矩形貼片天線相比，前者的面積更小，因此圓形貼片天線作為陣列單元有利于天線的小型化。未引入去耦結(jié)構(gòu)的參考陣列天線結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圓形微帶貼片天線單元印刷在長L=50 mm、寬w=25 mm、高h(yuǎn)=2 mm、損耗角正切為0.02、相對介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上。

圖1 參考陣列天線示意圖Fig.1 Schematic diagram of reference array antenna

圓形貼陣元的半徑為

(1)

根據(jù)式(1)[33]，結(jié)合軟件仿真優(yōu)化可得，工作在5.8 GHz的每個圓形貼片陣元的半徑為R=6.74 mm。兩個圓形貼片天線單元均采用同軸探針進(jìn)行饋電，饋電點(diǎn)與圓形貼片中心之間的距離S=2.34 mm。兩個貼片之間的最短距離d=10 mm (即0.19λ,λ為工作波長)。

1.2 加載EBG結(jié)構(gòu)的陣列天線設(shè)計(jì)與分析

從光子帶隙(Photonic Band Gap, PBG)演進(jìn)而來的EBG，大多數(shù)由金屬或介質(zhì)與金屬的混合結(jié)構(gòu)組成[28]。二維和三維的EBG結(jié)構(gòu)都是一種特殊的高阻抗表面，在其頻率帶隙內(nèi)無法傳播任何表面波。因此，通常在陣列天線中引入周期性排列的EBG結(jié)構(gòu)，在其產(chǎn)生的頻率帶隙內(nèi)降低陣元間的相關(guān)性和互耦，提高隔離度[26]。

參考天線陣元選用圓形微帶貼片天線，設(shè)計(jì)了一種由類E型金屬貼片和連接該貼片與地板的金屬通孔構(gòu)成的類E型EBG結(jié)構(gòu)，如圖2所示。EBG單元是在蘑菇狀EBG基礎(chǔ)上，考慮在介質(zhì)板上層金屬貼片周圍增加了三個枝節(jié)，其中左、右兩邊的弧形枝節(jié)可以抑制更多因左、右兩邊天線陣元產(chǎn)生的表面波，而中間的矩形枝節(jié)則會進(jìn)一步提高抑制表面波傳輸?shù)男Ч?/p>

圖2 EBG單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 EBG unit structure diagram

色散圖是一種研究和分析各種EBG結(jié)構(gòu)帶隙特性的常用方法[26]。利用電磁仿真軟件(High Frequency Structure Simulator, HFSS)對圖2(a)所示的類E型EBG單元進(jìn)行仿真分析，得到其色散曲線如圖3所示，其中橫軸表示在一個特殊布里淵三角區(qū)的三個主要方向，即Γ到X、X到M和M到Γ。從色散圖可知，模式1與模式2之間的頻率帶隙區(qū)域?yàn)?.2～6.5 GHz，該頻段包含了本文所提出陣列天線的5.8 GHz工作頻帶，因此考慮將其引入?yún)⒖继炀€陣元間降低互耦和相關(guān)性。

圖3 EBG結(jié)構(gòu)色散圖Fig.3 Dispersion diagram of EBG unit structure

加載類E型EBG結(jié)構(gòu)后的去耦陣列天線如圖4(a)所示?？紤]到天線陣元的形狀和類E型EBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，因此在陣元間只需要加載兩個以圓心連線對稱放置的EBG結(jié)構(gòu)，其等效電路示意圖如圖4(b)和4(c)所示。圖4(b)中，兩個類E型EBG單元的金屬通孔和金屬接地板之間形成電流通路，可以將這種效應(yīng)視為電感L1和L2； 兩個類E型EBG單元之間的縫隙邊緣會有電荷的聚集，可以視為電容C0。類E型EBG結(jié)構(gòu)的三個枝節(jié)可以分別等效成一個電容，因此兩個類E型EBG單元各自三個電容并聯(lián)后的總效應(yīng)分別用電容C1和C2表示，這樣兩個對稱放置的類E型EBG結(jié)構(gòu)整體的等效電路模型如圖4(c)所示。根據(jù)LC并聯(lián)諧振模型，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式可以推導(dǎo)出頻率帶隙相關(guān)計(jì)算表達(dá)式, 即

圖4 加載EBG結(jié)構(gòu)的陣列天線及EBG結(jié)構(gòu)等效電路圖Fig.4 Array antenna loaded with EBG structure and EBG structure equivalent circuit diagram

(2)

(3)

L=μ0μrh

(4)

(5)

(6)

式中：C1=C2；L1=L2；L0為一個類E型EBG單元的等效電感；fL和fH分別為頻率帶隙的下限和上限頻率；f0為帶隙的中心頻率；BW為帶隙帶寬。

經(jīng)過仿真優(yōu)化分析，和其他參數(shù)相比，參數(shù)t和散射參數(shù)中S12最小值隨頻率的移動有明顯的關(guān)系，圖5給出了t取幾組不同值時的回波損耗S11和隔離度S12。可以看出，當(dāng)t=34°時，去耦天線諧振頻率5.8 GHz處的S12達(dá)到-54.1 dB。對其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最佳數(shù)值為r1=9.25 mm，w1=0.5 mm，w2=1.6 mm，L2=5.2 mm，d1=1.5 mm，t=34°，t1=2°和D=0.6 mm。

圖5 天線在不同t值時的散射參數(shù)Fig.5 Scattering parameters in different values of t

利用HFSS軟件對參考天線和所有尺寸取最優(yōu)值的去耦陣列天線進(jìn)行仿真，其散射參數(shù)和表面電流分布的仿真結(jié)果，如圖6所示?？梢钥闯?，陣列天線引入類E型EBG結(jié)構(gòu)前后，諧振頻率由5.8 GHz變?yōu)?.79 GHz，S11值由-49.7 dB變?yōu)?27.4 dB，S12值由-16.3 dB減小到-54.1 dB，隔離度提高37.8 dB； 與圖6(b)相比，圖6(c)中單元間的耦合電流被EBG結(jié)構(gòu)所消耗，終端加載50 Ω的陣元2表面幾乎沒有感應(yīng)電流。因此，加載EBG結(jié)構(gòu)的陣列天線較好地降低了陣元間互耦。

圖6 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results

1.3 加載EBG和DGS的陣列天線設(shè)計(jì)與分析

常見的DGS結(jié)構(gòu)是在地板上刻蝕一些縫隙。當(dāng)天線工作在諧振頻率時，陣元間的能量受到抑制并且被這些縫隙結(jié)構(gòu)所消耗，從而提高天線的隔離度[31]。前文所述類E型EBG結(jié)構(gòu)只扼制了介質(zhì)基板上層陣元間的表面波傳播，從而降低互耦。在此基礎(chǔ)上，為了降低介質(zhì)基板下層的地板上表面波傳播引起的互耦，在圖4中去耦天線陣元間的地板上刻蝕兩組弧形縫隙，進(jìn)一步改善參考天線的輻射性能，提高隔離度。

鑒于陣元的形狀和電流的流動方式，本文設(shè)計(jì)了一種弧形縫隙DGS，如圖7(a)所示。圖中每組縫隙由在陣元間地板上沿每一個陣元的邊緣刻蝕等間隔角度的三個小弧形縫隙構(gòu)成。每一個小弧形縫隙的兩個側(cè)邊可以等效成電容C，如圖7(b)所示，其余的兩個邊沿線可以視為電感效應(yīng)，且陣列天線工作時因輻射等產(chǎn)生的一些損耗可以視為電阻R，這樣圖7(b)中的一個弧形縫隙DGS單元可以等效成并聯(lián)RLC電路模型，如圖7(c)所示。根據(jù)傳輸線相關(guān)理論，可以推導(dǎo)出以下表達(dá)式：

圖7 加載EBG和DGS的陣列天線及DGS結(jié)構(gòu)等效電路圖Fig.7 Array antenna loaded with EBG and DGS structures and DGS structure equivalent circuit diagram

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Z0=50 Ω是個定值，表示特性阻抗；f′為電路諧振頻率； Δf為-3dB帶寬。

通過仿真分析可得，參數(shù)t2和參數(shù)t對于S12最小值隨頻率變化的影響相同。從圖8可以看出，當(dāng)t2=22°時，去耦天線諧振頻率處的S12值最小。優(yōu)化后的其他參數(shù)取值為r2=8.8 mm，w4=0.5 mm，t2=22°和t3=26°。

圖8 天線在不同t2值時的散射參數(shù)Fig.8 Scattering parameters in different values of t2

對加載類E型EBG結(jié)構(gòu)和弧形縫隙DGS的去耦陣列天線進(jìn)行仿真求解，其散射參數(shù)和表面電流分布的仿真結(jié)果如圖9所示。從仿真結(jié)果可以看出，加載EBG結(jié)構(gòu)的陣列天線在繼續(xù)加載DGS后的諧振頻率和回波損耗S11值基本不變，S12值由-54.1 dB減小到-76.9 dB。此時，去耦陣列天線的-10 dB阻抗帶寬范圍為5.6 ～5.95 GHz，包括5.725 ～5.85 GHz。與圖9(b)相比，圖9(c)中陣元間地板上的耦合電流被DGS擾亂，因此終端接50 Ω負(fù)載的陣元2正下方地板上幾乎沒有電流。因此，與加載EBG結(jié)構(gòu)的陣列天線相比，同時加載EBG和DGS的去耦陣列天線的隔離度又提高22.8 dB，從而更好地降低了陣元間互耦和相關(guān)系性。

圖9 仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)陣列天線的性能，對優(yōu)化后的參考天線和去耦陣列天線進(jìn)行實(shí)物制作和測試，加工后的實(shí)物如圖10所示。

圖10 天線實(shí)物圖Fig.10 Photographs of fabricated array antennas

利用Agilent 8719ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工天線的散射參數(shù)進(jìn)行測試，回波損耗S11和隔離度S12仿真和測試結(jié)果見圖11。圖11(a)中，與仿真結(jié)果相比，兩種天線的實(shí)測諧振頻率有所偏移，但都仍在5.725～5.85 GHz頻段內(nèi)； 雖然兩種天線在諧振頻率處的實(shí)測S11值都比仿真值大，但都保持在-10 dB以下。圖11(b)表明，參考天線仿真和測試的散射參數(shù)S12值基本保持一致； 去耦陣列天線仿真和實(shí)測S12值的總體趨勢一致，實(shí)測最小值為-61.2 dB。由于制造誤差和測量誤差產(chǎn)生散射參數(shù)仿真和實(shí)測結(jié)果之間的差異可以忽略。在整個5.725～5.85 GHz頻帶內(nèi)，去耦陣列天線的實(shí)測耦合值總體低于-40 dB，和參考天線相比，陣元間互耦最大降低了45.4 dB。

圖11 散射參數(shù)仿真和測量結(jié)果圖Fig.11 Simulated and measured results of scattering parameters

在暗室中對天線的遠(yuǎn)場輻射性能進(jìn)行測試。在微帶貼片陣元1被激勵，陣元2終端接50 Ω負(fù)載時，天線的仿真和測試輻射方向圖如圖12所示。可以看出，在5.8 GHz處，天線的仿真和實(shí)測輻射方向圖基本吻合； 主要由于EBG結(jié)構(gòu)在其頻率帶隙內(nèi)具有一定的散射能力，以及DGS結(jié)構(gòu)對天線輻射性能的影響，導(dǎo)致引入兩種去耦結(jié)構(gòu)后的陣列天線XOZ面的主極化方向圖的后瓣增益有一定增大，使整個方向圖更趨近于全向天線輻射方向圖，對YOZ面的主極化也有同樣的影響； 同樣，也使XOZ面和YOZ面的交叉極化在0°方向的值有所增大，且YOZ面交叉極化方向圖的后瓣個數(shù)有所增加。兩種去耦結(jié)構(gòu)及天線在加工過程中的尺寸精度誤差以及測試時饋電端口處焊接等產(chǎn)生的損耗，導(dǎo)致實(shí)測和仿真方向圖之間出現(xiàn)差異，但這些差異均在誤差允許范圍之內(nèi)。

圖12 5.8 GHz處仿真和測量輻射方向圖Fig.12 Simulated and measured radiation patterns at 5.8 GHz

通常，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)是一個用來評估各個信道間相關(guān)性的重要指標(biāo)[25]，也可以分析天線的多輸入多輸出性能[34]。計(jì)算二元陣列天線的ECC值：

(11)

借用式(11)計(jì)算去耦天線的仿真和實(shí)測ECC值[29]，如圖13所示。在整個5.725～5.85 GHz工作頻帶內(nèi)，去耦陣列天線的實(shí)測ECC值總體小于0.001。這表明，同時引入設(shè)計(jì)的兩種去耦結(jié)構(gòu)可以有效降低陣元間的相關(guān)性，有助于改善此陣列天線的MIMO性能，提高接收信噪比[35]。

圖13 去耦天線的ECC仿真和測量結(jié)果圖Fig.13 ECC simulated and measured results of decoupling array antenna

表1是本文設(shè)計(jì)的去耦微帶陣列天線與參考文獻(xiàn)中去耦天線的參數(shù)設(shè)計(jì)和去耦效果的對比。通過比較可知，同時引入兩種去耦結(jié)構(gòu)的陣列天線具有較小的尺寸，并且在工作頻帶內(nèi)具有很低的互耦和很小的ECC值。

表1 本文去耦天線與參考文獻(xiàn)中天線對比

3 結(jié) 論

本文提出了一種低互耦和低相關(guān)性的圓形微帶貼片陣列天線。不同于一般加載單一方法的去耦設(shè)計(jì)，本文通過同時加載類E型EBG結(jié)構(gòu)和弧形縫隙DGS兩種去耦結(jié)構(gòu)，分別抑制介質(zhì)基板上層表面波傳輸和下層地板耦合電流，從而更有效地提高了天線的隔離度。所提出去耦天線的測試結(jié)果表明，在5.725～5.85 GHz頻帶內(nèi)，互耦降低45.4 dB，并且ECC值總體小于0.001，去耦結(jié)構(gòu)對天線輻射方向圖基本沒影響。仿真和測量結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了去耦天線良好的性能。和列舉的文獻(xiàn)中其他天線相比，本文展示的去耦微帶陣列天線具有較小的尺寸，穩(wěn)定的輻射方向圖，在工作頻帶內(nèi)具有更低的互耦和更小的ECC值。此外，本文的去耦陣列天線結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，可以為MIMO天線系統(tǒng)、雷達(dá)相控陣天線和其他微帶陣列天線的去耦設(shè)計(jì)提供部分參考。在目前成果的基礎(chǔ)上，接下來會進(jìn)一步研究基于本文所提出兩種去耦結(jié)構(gòu)的三元以及更多元陣列天線的去耦效果； 并通過采用串聯(lián)式饋線結(jié)構(gòu)饋電和開口諧振環(huán)等方法對去耦微帶陣列天線的增益作進(jìn)一步的改善； 也會對基于本文提出的兩種去耦結(jié)構(gòu)的其他類型陣列天線的去耦效果進(jìn)行研究和分析。