王文君，劉長(zhǎng)軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

隨著天線集成化的發(fā)展，要求陣列天線有高增益且滿足小型化，集約型的陣列天線被廣泛應(yīng)用[1]。天線單元間的互耦效應(yīng)是陣列天線固有的重要特征之一，隨著天線陣陣元之間的距離減小,互耦影響就會(huì)加劇,并影響天線陣的輻射性能[2]。在T/R組件的收發(fā)天線對(duì)中，為了保持收發(fā)天線的方向一致，收發(fā)天線的間隔很小，對(duì)降低互耦提出了很高要求。

目前，已經(jīng)提出一些具有耦合抑制的解決方案。例如，文獻(xiàn)[2-6]使用缺陷地結(jié)構(gòu)，通過(guò)在微帶天線的接地金屬板上蝕刻出不同的缺陷形狀來(lái)抑制耦合。這種方法可能會(huì)增加天線的后向輻射，導(dǎo)致天線的前后比下降。文獻(xiàn)[7-9]使用電磁帶隙結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[10-13]在單元間設(shè)計(jì)如U型或曲折線等不同形狀的諧振結(jié)構(gòu)等。這些結(jié)構(gòu)需要在單元間保留較大的空間，不適用于近距離貼片單元間的耦合抑制。文獻(xiàn)[14]使用地面開(kāi)縫與在墻上添加不同的光子帶隙(photonic band gap, PBG)結(jié)構(gòu)組合的形式來(lái)達(dá)到有效的耦合抑制。文獻(xiàn)[15]使用不同形狀的輻射貼片來(lái)提高耦合抑制。

本文提出了一種“墻”的結(jié)構(gòu)，將“墻”垂直插入2個(gè)貼片單元中間，并在“墻”的介質(zhì)基板兩側(cè)蝕刻出發(fā)卡結(jié)構(gòu)。通過(guò)引入額外的耦合路徑，從而有效地抵消2個(gè)單元間的原有耦合，并且只占用很小的平面空間，非常適合于小間距的天線應(yīng)用。

1 耦合抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)在2個(gè)近距離放置的側(cè)饋微帶貼片單元之間加入特定的結(jié)構(gòu)，可以在貼片單元之間引入新的耦合路徑。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以抵消天線單元間的原有耦合，實(shí)現(xiàn)降低天線耦合的目的。

1.1 天線對(duì)設(shè)計(jì)

通過(guò)2個(gè)常規(guī)的側(cè)饋的微帶貼片天線實(shí)現(xiàn)一收一發(fā)的功能。天線中心頻率為5.8 GHz，天線邊緣間距為1.56 mm(0.03λ0)。天線中心間距為0.41λ0。該天線采用F4B介質(zhì)基板進(jìn)行加工，介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm。按照常規(guī)貼片天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。貼片天線的等效長(zhǎng)度為L(zhǎng)+2ΔL。ΔL為[16]

式中：h為介質(zhì)基板厚度；εeff為等效相對(duì)介電常數(shù)。

圖1 微帶天線

根據(jù)式(1)得到天線設(shè)計(jì)基本尺寸Ls、Ws、L、W、Lf、Wf、G、l1和l2分別為30.0、50.0、6.2、19.5、11.4、2.7、1.56、2.2和4.5。天線的-10 dB帶寬為5.71～5.86 GHz。由于天線距離很近，在帶寬內(nèi)|S21|大于-8.1 dB。在5.8 GHz，|S21|僅為-7.2 dB。天線增益為5.5 dB。

1.2 耦合抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

散射矩陣法是一種較為簡(jiǎn)單直接地分析天線單元間耦合強(qiáng)弱的方法。通常采用Smn的值描述陣列中第m、n個(gè)單元間的耦合強(qiáng)弱。

2個(gè)貼片天線之間的耦合近似為[17]

式中：Z21為天線兩端口之間的轉(zhuǎn)移阻抗；Z11為一個(gè)天線端口的輸入阻抗；Z0為系統(tǒng)阻抗。當(dāng)天線輸入阻抗匹配時(shí)，減小|Z21|是減小天線耦合的有效方法。

根據(jù)式(2)，借鑒發(fā)卡濾波器中的“發(fā)卡”結(jié)構(gòu)，在天線間引入一個(gè)諧振在天線中心頻率的耦合通道。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)卡的結(jié)構(gòu)，抵消天線原來(lái)的耦合，減小|Z21|，實(shí)現(xiàn)高隔離度的天線對(duì)。

發(fā)卡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如下：

1)采用雙發(fā)卡結(jié)構(gòu)如圖2所示，調(diào)節(jié)發(fā)卡的長(zhǎng)度，使得發(fā)卡的諧振頻率為天線的中心頻率f0；

圖2 發(fā)卡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2)將發(fā)卡結(jié)構(gòu)引入到天線縫隙的中間，調(diào)節(jié)貼片天線的尺寸，使天線工作在中心頻率f0；

3)優(yōu)化發(fā)卡的長(zhǎng)度和對(duì)地間距，提高天線在中心頻率的隔離度。

4)檢驗(yàn)天線的中心頻率和方向圖。如果不滿足要求，就重復(fù)步驟2)。

如圖2所示在天線輻射單元間加入刻蝕發(fā)卡形狀的“墻”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)同樣采用F4B介質(zhì)基板制作，厚度為0.8 mm?！皦Α贝怪辈迦?個(gè)貼片單元中間，引入了額外的耦合路徑，產(chǎn)生一個(gè)耦合通帶，從而抵消了2個(gè)單元間原有的直接耦合。相比傳統(tǒng)方法中在2個(gè)單元中間加入不同的平面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)只占用了很小的天線電路板面積。其中，發(fā)卡結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度大約等于一個(gè)工作波長(zhǎng)。發(fā)卡結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)L0、W0、Hw、Hm、L1和L2分別為27.0、1.0、10.0、1.5、2.0和8.0。

發(fā)卡結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度L0的變化會(huì)影響天線的隔離度。天線最高隔離度對(duì)應(yīng)頻率隨天線長(zhǎng)度L0的變化如圖3所示。L0增大，最高隔離度對(duì)應(yīng)頻率向低頻偏移；反之則向高頻偏移。該結(jié)構(gòu)可以有效地抑制天線單元間的耦合，但天線的方向圖主瓣方向會(huì)發(fā)生偏移，增益降低。

圖3 不同長(zhǎng)度發(fā)卡結(jié)構(gòu)對(duì)天線耦合的影響

天線方向圖如圖4所示。在天線單元中插入該結(jié)構(gòu)會(huì)略微影響貼片天線的諧振頻率，可以通過(guò)調(diào)整貼片的尺寸來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。為了改善天線的方向圖，在“墻”的底部增加接地的金屬帶，并調(diào)整了發(fā)卡結(jié)構(gòu)的間距。天線的方向圖和隔離度效果均有了很大的改善。

圖4 低耦合天線的方向圖

圖5給出了采用相同尺寸的貼片天線單元的條件下，添加不同去耦合結(jié)構(gòu)與不添加去耦合結(jié)構(gòu)情況下的仿真|S21|曲線對(duì)比圖。結(jié)果表明，若將“墻”的兩面全部覆蓋金屬，在5.8 GHz天線的|S21|降低到-28.3 dB，相較于不添加去耦結(jié)構(gòu)，|S21|減小了大約11 dB，而采用發(fā)卡結(jié)構(gòu)能夠在5.8 GHz將|S21|降低到-40 dB以下。此外，加入接地金屬帶后，天線在保證只加入發(fā)卡結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)的耦合抑制效果的同時(shí)，天線的方向圖也有了很大的改善。

圖5 使用不同結(jié)構(gòu)天線的|S21|對(duì)比

圖6給出了添加去耦合結(jié)構(gòu)前后貼片天線上的表面電流分布。左側(cè)端口饋電時(shí)，在添加去耦合結(jié)構(gòu)前，右側(cè)貼片上有很強(qiáng)的耦合電流，但在引入去耦合結(jié)構(gòu)后，右側(cè)貼片上的耦合電流明顯減少。

圖6 貼片天線上的表面電流

2 測(cè)量結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

采用安捷倫公司的N5230A型號(hào)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的S參數(shù)。采用17.16 dB標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線對(duì)天線的增益進(jìn)行測(cè)試。圖7給出了貼片天線和去耦結(jié)構(gòu)的加工實(shí)物圖。圖8給出了低耦合天線的測(cè)試系統(tǒng)。

圖7 天線加工實(shí)物

圖8 低耦合天線測(cè)試系統(tǒng)

2.2 測(cè)試結(jié)果

仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試S參數(shù)的對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

加工天線的測(cè)試頻率相較于仿真結(jié)果存在一定的偏移，是加工天線的介質(zhì)基板的介電常數(shù)和厚度與仿真模型設(shè)置的基板參數(shù)存在一定偏差的緣故。測(cè)試結(jié)果表明，在所設(shè)計(jì)的-10 dB帶寬內(nèi)，天線單元間能達(dá)到40 dB的隔離度，符合設(shè)計(jì)的要求。

圖10給出了天線的仿真和測(cè)試方向圖對(duì)比，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合。

圖10 仿真與測(cè)試方向圖對(duì)比

表1展示了采用不同的耦合抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的貼片天線單元間距與耦合抑制效果對(duì)比。從表中可以看出，與本文采用結(jié)構(gòu)相比，文獻(xiàn)[3]貼片單元間距接近，但無(wú)后向輻射增加，且-10 dB帶寬內(nèi)耦合抑制提高了25%；文獻(xiàn)[7-15]所采用的去耦結(jié)構(gòu)均不引入額外的后向輻射，文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[11]中貼片單元間距增加了4倍，耦合抑制效果分別低于本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)38.5%和60%；文獻(xiàn)[8]中單元間距為本文的9倍，但耦合抑制效果低47.5%；文獻(xiàn)[15]中的單元間距略小于本文結(jié)構(gòu)，但耦合抑制效果低72.5%。

表1 不同耦合抑制結(jié)構(gòu)對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過(guò)采用發(fā)卡形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)近距離微帶天線單元間互耦抑制的結(jié)構(gòu)，天線的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合。1)去耦合結(jié)構(gòu)以犧牲微帶天線的低剖面的特性換取高效的耦合抑制效果。2)為在需要近距離布局天線單元且對(duì)天線的剖面要求較低的情況下，實(shí)現(xiàn)了42 dB的高隔離度，提供了新的天線設(shè)計(jì)思路。3)去耦合結(jié)構(gòu)沒(méi)有增加天線的面積，也沒(méi)有引入增加額外的后向輻射，具有良好的應(yīng)用前景。