多層結(jié)構(gòu)濾波貼片天線陣列的設(shè)計(jì)

王天一 劉金澎 何茜蕓

摘? 要：提出了一種工作在3.9 GHz的平面2×2濾波微帶貼片天線陣列的設(shè)計(jì)方案。陣列由四個(gè)貼片天線構(gòu)成，分別由兩個(gè)多層饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)。饋電網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)和兩個(gè)諧振器，諧振器之間采用矩形縫隙耦合。天線的激勵(lì)由層間電磁耦合饋電方式，并利用貼片天線模式正交和濾波天線的頻率選擇特性，提高兩個(gè)端口之間的隔離度。天線兩個(gè)端口的輻射模式分別是TM10模和TM01模，帶寬均為3.69～4.14 GHz，相對(duì)帶寬均為11.5%，兩個(gè)端口之間的隔離度大于32 dB。天線陣列的增益為11.6 dB，并具有14 dB的帶外抑制水平。

關(guān)鍵詞：濾波天線；貼片天線陣列；多層耦合結(jié)構(gòu)；正交極化

中圖分類號(hào)：TN822? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）15-0049-05

Design of Filtering Patch Antenna Array with Multi-layer Coupling Structure

WANG Tianyi， LIU Jinpeng， HE Qianyun

（Southwest China Research Institute of Electronic Equipment， Chengdu? 610036， China）

Abstract： This paper proposes a design scheme of plane 2×2 filter micro-band patch antenna array which is works at a center frequency of 3.9 GHz. The array consists of four patch antennas， and it is excited by two multilayer feeding networks separately. The feeding network consists of a power-divider network and two resonators with rectangular slot coupling structure. The antenna is fed by interlayer electromagnetic coupling and uses the frequency selection characteristics of the patch antenna mode orthogonal and the filtered antenna， so as to improve the isolation between the two ports. The radiation modes of the two ports are TM10 mode and TM01 mode separately， and both bandwidths are 3.69～4.14 GHz， the relative bandwidth is 11.5%， and the isolation between the two ports is greater than 32 dB. The antenna array has a gain of 11.6 dB and has an out-of-band inhibition level of 14 dB.

Keywords： filtering antenna; patch antenna array; multilayer coupling structure; orthogonal polarization

0? 引? 言

天線作為通信設(shè)備中電磁波信號(hào)的出入口，是決定通信質(zhì)量的決定性因素之一。合理的天線設(shè)計(jì)可以緩解射頻前端的壓力，進(jìn)而提升通信質(zhì)量。近年來(lái)，頻譜資源日益緊張，通信設(shè)備對(duì)射頻前端的選頻特性的要求也越來(lái)越苛刻。傳統(tǒng)射頻前端通常包括天線、濾波器等微波器件，天線用于收發(fā)信號(hào)，收發(fā)鏈路上的濾波器實(shí)現(xiàn)射頻前端的選頻特性。然而，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，小型化、集成化、智能化、多樣化成為通信設(shè)備的主要發(fā)發(fā)展方向，這就要求射頻前端需要具備同時(shí)處理多個(gè)頻段或者多種通信信號(hào)的能力。這一能力的提升往往通過(guò)增加射頻前端的收發(fā)鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但傳統(tǒng)的分布式無(wú)源器件架構(gòu)會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)體積增大、鏈路損耗增加、不同鏈路信號(hào)相互干擾等一系列問(wèn)題。另一方面，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使得有源芯片的集成度和性能得到了明顯的提升，極大促進(jìn)了射頻前端的集成性能，這也使分布式無(wú)源器件架構(gòu)的尺寸成了制約射頻前端體積的重要因素。

為適應(yīng)通信系統(tǒng)的需求，濾波天線逐漸成為集成器件的研究重點(diǎn)[1，2]。濾波天線是從天線設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將射頻前端中的濾波功能融合到天線設(shè)計(jì)當(dāng)中。將天線和濾波器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，一方面使天線既具備輻射電磁波的功能，又具有選擇工作頻段、抑制雜波信號(hào)的能力，這能夠剔除噪聲干擾，提高系統(tǒng)的信噪比和抗干擾能力。另一方面，這種設(shè)計(jì)去除多余的匹配網(wǎng)絡(luò)和饋線，減少需要匹配的端口數(shù)量，能夠減小系統(tǒng)體積和重量的、提高信號(hào)的傳輸效率，進(jìn)而提升系統(tǒng)的性能。

雙極化天線因其能夠?qū)︻l段進(jìn)行重復(fù)利用，提供多種極化方式使信道容量成倍增加，并降低損耗，故在無(wú)線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。雙極化微帶貼片天線的實(shí)現(xiàn)方法主要有微帶線共面饋電貼片天線[3]、縫隙耦合微帶天線[4]、探針饋電雙層微帶貼片天線[5]等。此外，雙極化天線中，保持高端口隔離對(duì)于雙極化貼片天線至關(guān)重要。關(guān)于提高雙極化貼片天線端口隔離的方法也有許多工作進(jìn)行了討論。如采用差分饋電網(wǎng)絡(luò)改善貼片天線的差分模式來(lái)改善端口隔離[6]，或采用近場(chǎng)消除方法將一個(gè)非激勵(lì)端口放在另一個(gè)激勵(lì)端口的近場(chǎng)零點(diǎn)處以保持端口隔離[7]，以及采用去耦網(wǎng)絡(luò)，如電磁帶隙結(jié)構(gòu)[8]來(lái)改善端口隔離。

貼片天線的帶寬和輻射性能是近年來(lái)天線研究的重要方向之一。鄰近耦合微帶貼片天線在可以通過(guò)增加介電基板的厚度來(lái)提高帶寬，縫隙耦合多層貼片天線可以將相對(duì)帶寬提高到40%，并且損耗很低[9]，L型探針饋電方式也能實(shí)現(xiàn)23.8%的相對(duì)帶寬[10]。

本文提出了一種具有較寬的工作帶寬的雙極化微帶貼片天線陣列。帶寬的展寬采用矩形微帶貼片天線與多層微帶饋電網(wǎng)絡(luò)耦合的形式。饋電網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)和兩個(gè)諧振器，矩形微帶貼片與微帶諧振器的耦合采用分層邊緣耦合結(jié)構(gòu)，多層微帶結(jié)構(gòu)中，各層諧振器間的耦合采用矩形耦合縫隙結(jié)構(gòu)。天線陣列工作于3.69～4.14 GHz，兩個(gè)端口之間的隔離度大于32 dB，天線陣列的增益為11.6 dB，并具有14 dB的帶外抑制水平。

1? 多層結(jié)構(gòu)濾波貼片天線陣列設(shè)計(jì)

1.1? 總體結(jié)構(gòu)

方形貼片具有易于工程制造特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的正交極化特性。故濾波天線陣列的極化微帶天線單元的輻射貼片采用矩形結(jié)構(gòu)。為展寬帶寬，采用貼片與多層饋電網(wǎng)絡(luò)耦合的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

濾波天線陣列包括三層介質(zhì)材料，均為Rogers RT5880，其介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為9×10-4。介質(zhì)層1和介質(zhì)層3的厚度為0.787 mm，第二層介質(zhì)的厚度為1.575 mm。三層介質(zhì)材料分別組成0、1、2、3四個(gè)平面，形成四層電路。第0平面是天線陣列，由介質(zhì)層3的一個(gè)覆銅面刻蝕得到，第1平面是二階饋電網(wǎng)絡(luò)的第1階諧振器，由介質(zhì)層3的另一個(gè)覆銅面刻蝕得到。第2平面是公共地平面，一方面作為貼片天線單元的接地板，減小單元的背向輻射。另一方面，地平面上開有矩形縫隙，由介質(zhì)層1的一個(gè)覆銅面刻蝕得到，用于饋電網(wǎng)絡(luò)中第1階諧振器與第2階諧振器的耦合。第3平面是二階饋電網(wǎng)絡(luò)的第1階諧振器和輸入端口，由介質(zhì)層1的另一個(gè)覆銅面刻蝕得到。介質(zhì)層2用于每個(gè)平面的設(shè)計(jì)如圖2所示。第2平面的結(jié)構(gòu)只有四個(gè)矩形孔。

1.2? 貼片天線陣列

天線的工作中心頻率為3.9 GHz，矩形微帶貼片天線的長(zhǎng)度按下列公式確定：

式中c表示真空中的光速；f0表示天線的工作頻率；ΔL表示等效輻射縫隙長(zhǎng)度，且有：

考慮到兩端口的工作頻率相同，因此矩形貼片天線的長(zhǎng)和寬具有相同的尺寸。使用CSTStudio軟件對(duì)天線單元進(jìn)行建模仿真，貼片邊長(zhǎng)約為工作波長(zhǎng)的一半，經(jīng)對(duì)天線各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，取邊長(zhǎng)為23.2 mm×23.2 mm。

四個(gè)貼片采用2×2陣列化排列。為避免不必要的互相耦合效應(yīng)，天線陣元間距不宜小于半個(gè)波長(zhǎng)。另一方面，為減少輻射圖中的多個(gè)旁瓣并保持主瓣足夠的增益，天線陣元間距不宜超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)。故天線陣元間距的最佳選擇通常是半個(gè)波長(zhǎng)，相互間隔23.2 mm。

對(duì)于正交饋電的雙極化微帶貼片天線，水平極化工作于TM10模式，垂直極化主要工作于TM01模式。為避免激勵(lì)起高次模，在單元設(shè)計(jì)時(shí)，須對(duì)高次模進(jìn)行抑制，組陣情形需要進(jìn)行相應(yīng)的抑制交叉極化手段，以便獲得好的交叉極化性能。

天線均布在90 mm×90 mm的第0平面上，如圖2（a）所示的淺灰色結(jié)構(gòu)。第1平面內(nèi)均布4個(gè)諧振器，諧振器具有相同的尺寸，其軸向中心線的延長(zhǎng)線與矩形貼片天線單元的中心重合，并與每個(gè)貼片單元的距離相等，如圖2（a）中的黑色結(jié)構(gòu)所示。第3平面為公共地平面，其上均布4個(gè)矩形縫隙，位于第1平面內(nèi)均布4個(gè)諧振器的正下方并與這4個(gè)諧振器垂直，4個(gè)矩形縫隙具有相同的尺寸，如圖2（a）的深灰色結(jié)構(gòu)所示。

1.3? 饋電網(wǎng)絡(luò)

為保證2個(gè)極化方向具有較好的一致性，2種極化模式采用了相同的饋電方式。天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)分別包括兩個(gè)等價(jià)的部分。兩個(gè)端口均位于第3平面，如圖2（b）所示。饋電網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)功分器（圖2（b）中的粉色部分）和同平面的兩個(gè)諧振器（圖2（b）中的紅色部分）。諧振器的初始長(zhǎng)度為與工作中心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)。第3平面的諧振器通過(guò)矩形縫隙與第1平面的同頻率諧振器耦合，耦合強(qiáng)度通過(guò)第2平面的矩形縫隙的尺寸控制。

矩形微帶貼片作為天線輻射時(shí)易產(chǎn)生高次模。高次模的存在會(huì)使極化端口之間出現(xiàn)干擾，降低端口之間的極化隔離度，進(jìn)面導(dǎo)致交叉極化電平變差。為了取得較高的極化隔離度，天線陣列采用了等幅反相饋電激勵(lì)陣列天線單元。

由于在天線的饋電網(wǎng)絡(luò)中引入了諧振器，因此可以實(shí)現(xiàn)較寬的天線工作帶寬。此時(shí)，可以將貼片天線視作一個(gè)普通諧振器，與饋電網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)諧振器結(jié)合，等效為一個(gè)濾波器。此時(shí)，可以采用濾波器的設(shè)計(jì)方法開展設(shè)計(jì)[11]。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以得出這個(gè)濾波器的耦合矩陣如下：

此時(shí)，濾波器的外部耦合品質(zhì)因子為17.986和13.855。

天線陣列中2×1陣列單元采用如圖2（b）中所示的T型功分器合成。對(duì)于T型功分器，端口的阻抗為Z0，則2個(gè)分口連接處的阻抗為2×Z0。通過(guò)一段1/4波長(zhǎng)阻抗為1.414×Z0的阻抗變換器，將阻抗為2×Z0的微帶線變換為阻抗為Z0。

2? 多層結(jié)構(gòu)濾波貼片天線陣列的仿真結(jié)果

濾波天線陣列采用CSTStudio進(jìn)行仿真計(jì)算。將設(shè)計(jì)好的功分網(wǎng)絡(luò)和天線陣列搭建成完整的4×4陣列天線后進(jìn)行建模仿真分析，由于天線單元之間存在相互耦合，故天線的尺寸需進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化；考慮到諧振器之間的耦合，諧振器的尺寸和矩形縫隙的尺寸也有適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。

設(shè)計(jì)的反射損耗如圖3所示。由仿真結(jié)果可得，所設(shè)計(jì)的陣列天線反射損耗優(yōu)于10 dB，其阻抗帶寬約為11.5%。

濾波天線陣列的如圖4所示。由仿真結(jié)果可得，增益為11.4～12 dB，帶寬為3.69～4.14 GHz。帶外具有14 dB的增益抑制水平。

圖5和圖6給出了陣列水平極化和垂直極化在中心工作頻率的方向圖。圖5（a）為二元陣水平極化E面方向圖，圖5（b）為水平極化H面方向圖；圖6（a）為垂直極化E面方向圖，圖6（b）為二元陣垂直極化H面方向圖?？梢钥吹剑谥行墓ぷ黝l率，微帶貼片濾波天線陣列水平極化E 面方向圖的交叉極化隔離度在±35°范圍內(nèi)≥26 dB，水平極化H面方向圖的交叉極化隔離度在±35°范圍內(nèi)≥35 dB；垂直極化H面方向圖的交叉極化隔離度在±35°范圍內(nèi)≥31 dB，垂直極化E面方向圖的交叉極化隔離度在±35°范圍內(nèi)≥33 dB。這表明該濾波天線陣列的水平極化和垂直極化的交叉極化隔離度在±35°范圍內(nèi)具有良好的交叉極化特性。

3? 結(jié)? 論

提出了一種工作在3.9 GHz的平面2×2濾波微帶貼片天線陣列的設(shè)計(jì)方案。陣列由四個(gè)貼片天線構(gòu)成，分別由兩個(gè)多層饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)。饋電網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)和兩個(gè)諧振器，諧振器之間采用矩形縫隙耦合。天線的激勵(lì)由層間電磁耦合饋電方式，并利用貼片天線模式正交和濾波天線的頻率選擇特性，提高兩個(gè)端口之間的隔離度。天線兩個(gè)端口的輻射模式分別是TM10模和TM01模，帶寬均為3.69～4.14 GHz，相對(duì)帶寬均為11.5%，兩個(gè)端口之間的隔離度大于32 dB，天線陣列的增益為11.6 dB，并具有14 dB的帶外抑制水平。

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