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(dòng)無(wú)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(lái)，多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技術(shù)受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。大多數(shù)MIMO天線系統(tǒng)是由兩個(gè)或兩個(gè)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(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，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(lái)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(wú)線通信系統(tǒng)中，減小耦合是一個(gè)亟待解決的問(wèn)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(gè)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(guò)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(gè)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(lái)，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(guò)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(jiǎn)單，去耦結(jié)構(gòu)易于設(shè)計(jì)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)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(zhǎng)L=50 mm、寬w=25 mm、高h(yuǎn)=2 mm、損耗角正切為0.02、相對(duì)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(gè)圓形貼片陣元的半徑為R=6.74 mm。兩個(gè)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(gè)貼片之間的最短距離d=10 mm (即0.19λ,λ為工作波長(zhǎng))。

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(lái)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(wú)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(gè)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(huì)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(duì)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(gè)特殊布里淵三角區(qū)的三個(gè)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。考慮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(gè)以圓心連線對(duì)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(gè)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(gè)類E型EBG單元之間的縫隙邊緣會(huì)有電荷的聚集，可以視為電容C0。類E型EBG結(jié)構(gòu)的三個(gè)枝節(jié)可以分別等效成一個(gè)電容，因此兩個(gè)類E型EBG單元各自三個(gè)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(gè)對(duì)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(gè)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(guò)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(dòng)有明顯的關(guān)系，圖5給出了t取幾組不同值時(shí)的回波損耗S11和隔離度S12。可以看出，當(dāng)t=34°時(shí)，去耦天線諧振頻率5.8 GHz處的S12達(dá)到-54.1 dB。對(duì)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(shí)的散射參數(shù)Fig.5 Scattering parameters in different values of t

利用HFSS軟件對(duì)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?？梢钥闯觯嚵刑炀€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(méi)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(jiàn)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(shí)，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(dòng)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(gè)陣元的邊緣刻蝕等間隔角度的三個(gè)小弧形縫隙構(gòu)成。每一個(gè)小弧形縫隙的兩個(gè)側(cè)邊可以等效成電容C，如圖7(b)所示，其余的兩個(gè)邊沿線可以視為電感效應(yīng)，且陣列天線工作時(shí)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(gè)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(gè)定值，表示特性阻抗；f′為電路諧振頻率； Δf為-3dB帶寬。

通過(guò)仿真分析可得，參數(shù)t2和參數(shù)t對(duì)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(shí)，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(shí)的散射參數(shù)Fig.8 Scattering parameters in different values of t2

對(duì)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(shí)，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(méi)有電流。因此，與加載EBG結(jié)構(gòu)的陣列天線相比，同時(shí)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(duì)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(cè)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(duì)加工天線的散射參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，回波損耗S11和隔離度S12仿真和測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11。圖11(a)中，與仿真結(jié)果相比，兩種天線的實(shí)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)S12值的總體趨勢(shì)一致，實(shí)測(cè)最小值為-61.2 dB。由于制造誤差和測(cè)量誤差產(chǎn)生散射參數(shù)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果之間的差異可以忽略。在整個(gè)5.725～5.85 GHz頻帶內(nèi)，去耦陣列天線的實(shí)測(cè)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(cè)量結(jié)果圖Fig.11 Simulated and measured results of scattering parameters

在暗室中對(duì)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能進(jìn)行測(cè)試。在微帶貼片陣元1被激勵(lì)，陣元2終端接50 Ω負(fù)載時(shí)，天線的仿真和測(cè)試輻射方向圖如圖12所示?？梢钥闯?，在5.8 GHz處，天線的仿真和實(shí)測(cè)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(duì)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(gè)方向圖更趨近于全向天線輻射方向圖，對(duì)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(gè)數(shù)有所增加。兩種去耦結(jié)構(gòu)及天線在加工過(guò)程中的尺寸精度誤差以及測(cè)試時(shí)饋電端口處焊接等產(chǎn)生的損耗，導(dǎo)致實(shí)測(cè)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(cè)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(gè)用來(lái)評(píng)估各個(gè)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(cè)ECC值[29]，如圖13所示。在整個(gè)5.725～5.85 GHz工作頻帶內(nèi)，去耦陣列天線的實(shí)測(cè)ECC值總體小于0.001。這表明，同時(shí)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(cè)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(duì)比。通過(guò)比較可知，同時(shí)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(duì)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(guò)同時(shí)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(cè)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(duì)天線輻射方向圖基本沒(méi)影響。仿真和測(cè)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(jiǎn)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(lái)會(huì)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(guò)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(duì)去耦微帶陣列天線的增益作進(jìn)一步的改善； 也會(huì)對(duì)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。