多個(gè)印制板天線之間的耦合問題

在移動(dòng)終端，通常使用印制板天線，所以本文研究的主要問題也是多個(gè)印制板天線之間的耦合問題。印制天線之間的耦合通常包括3個(gè)部分：遠(yuǎn)場耦合;近場耦合;表面波耦合。當(dāng)多個(gè)天線之間的極化方向相同時(shí)，就會(huì)存在遠(yuǎn)場耦合，天線之間的距離增大一倍，耦合會(huì)減小6 dB。當(dāng)一個(gè)天線處于另一個(gè)天線的近輻射場時(shí)，近場耦合就會(huì)發(fā)生，耦合與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，也與天線之間的距離有關(guān)，當(dāng)天線的距離增大一倍時(shí)，耦合會(huì)減小12～18 dB。表面波耦合發(fā)生在介質(zhì)層，天線之間的距離增大一倍，表面波耦合減小3 dB。當(dāng)介質(zhì)的厚度h與波長λ0之間的比值達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，表面波之間的耦合將起主導(dǎo)作用。

　　為了降低多個(gè)天線之間的耦合，人們想出了各種辦法。其中一種有效的方法就是使用DMN(Decoupling and Matehing Networks)技術(shù)。具體的設(shè)計(jì)方法與實(shí)例文獻(xiàn)均有論述，但是文中并沒有給出具體的理論說明。文獻(xiàn)提出了一種采用正交模式分析的方法，通過S參數(shù)分析，從理論上給出了一種合理的去耦合方法。本文采用文獻(xiàn)給出的S參數(shù)分析方法，對文獻(xiàn)提出的710 MHz天線之間的耦合進(jìn)行研究，并通過計(jì)算設(shè)計(jì)出一種采用集總參數(shù)元件構(gòu)成的耦合器與匹配網(wǎng)絡(luò)去掉兩個(gè)天線之間的耦合。通過HFSS和ADS聯(lián)合仿真可以看出，S12與S21參數(shù)得到了明顯改善。

　　1 一種71O MHz雙天線的設(shè)計(jì)

　　710 MHz的頻段是LTE使用的一個(gè)重要頻段，然而在移動(dòng)終端上，移動(dòng)設(shè)備有限的體積與710 MHz較大的波長給設(shè)計(jì)師提出了苛刻的要求。LET使用的是MIMO技術(shù)，也就是在一個(gè)終端上同時(shí)存在著多個(gè)發(fā)射天線，不可避免地引起了天線之間的耦合，降低了通信容量。文獻(xiàn)提出了一種曲線形雙天線，這種緊湊的結(jié)構(gòu)符合了移動(dòng)終端對體積的要求。但是緊湊的結(jié)構(gòu)也引起了天線之間較高的耦合。

　　天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。天線工作在710 MHz的頻段，由兩個(gè)曲線單極子天線組成。兩個(gè)天線印制在FR4介質(zhì)板上(介電常數(shù)等于4.6，介質(zhì)厚1 mm)。天線走線的寬度是1 mm，走線之間的距離也是1 mm。兩個(gè)天線之間的距離是6 mm，天線端口接1.8 mm的微帶線饋電。使用HF-SS 12進(jìn)行仿真，可以得出S參數(shù)如圖2所示?？梢奡11的性能很好，然而天線之間的耦合S12過大，難以滿足LTE對天線工作性能的要求。

　　 2 S參數(shù)的去耦合分析

　　為了提高天線的輻射效率，學(xué)者們提出了DMN技術(shù)，即在多個(gè)天線的輸入端先加耦合器以去掉天線之間的耦合，然后加匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。文獻(xiàn)對這種方法進(jìn)行了詳細(xì)論述，并闡述了用S參數(shù)分析正交模的方法。下面對一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的天線進(jìn)行S參數(shù)的分析。

　　為了使正交模式的輻射效率最大，文獻(xiàn)和文獻(xiàn)詳細(xì)論述了等效耦合參數(shù)的方法。對于一個(gè)雙天線系統(tǒng)，等效去耦合網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，其中S是天線的反射參數(shù)，SD是去耦合網(wǎng)絡(luò)的反射參數(shù)，文獻(xiàn)指出加入了去耦合系統(tǒng)的S參數(shù)可以表示為：

　　則等效天線的Ss參數(shù)將是對角化的，并且它的等效天線輸入端口將是去耦合的。Q的列向量也就是天線的正交輻射模式。下一節(jié)將使用以上理論分析第1部分設(shè)計(jì)的天線的參數(shù)，并將其輸入端的耦合去掉。3 等效耦合器的設(shè)計(jì)

　　對于一個(gè)雙天線系統(tǒng)，應(yīng)該有兩個(gè)正交模同時(shí)存在，去耦合網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，正交輻射矩陣可以寫為：

　　由于第二部分設(shè)計(jì)的天線傳輸線阻抗是50 Ω，所以1/4傳輸線的阻抗是70.7 Ω，將710 MHz代入，則可以求得L=15.8 nH，C=3.17 pF。這樣，就可以設(shè)計(jì)出180°的混合耦合器如圖8所示。將耦合器的3，4端口通過通孔連接天線，1，2端口接饋電網(wǎng)絡(luò)，就可構(gòu)成一個(gè)雙天線的去耦合系統(tǒng)。

　　4 710 MHz的LTE雙天線與去耦合網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合仿真

　　本文使用ADS對雙天線系統(tǒng)的去耦合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。先在ADS中設(shè)計(jì)出耦合器的電路，如圖8所示，然后將第1部分設(shè)計(jì)的LTE天線使用HFSS仿真出的S參數(shù)導(dǎo)出為SNP文件，最后將SNP文件導(dǎo)入到ADS中，進(jìn)行聯(lián)合仿真。SNP文件的兩個(gè)輸入端口接耦合器的3、4端口，耦合器的1，2端口接饋電端。仿真結(jié)果如圖9所示?？梢姡尤肓巳ヱ詈暇W(wǎng)絡(luò)后，S12和S21降到了30 dB以下。由于輸入端口存在著不匹配，所以S11和S22太大，不能滿足要求，這可以通過在饋電端口加入匹配網(wǎng)絡(luò)來改善。通過ADS的優(yōu)化設(shè)置，可知當(dāng)匹配網(wǎng)絡(luò)先并聯(lián)一個(gè)3.815 nH電感，再串聯(lián)一個(gè)14 nH的電感后，S11和S22均可以達(dá)到滿意的效果，S12和S21也進(jìn)一步減小到-35 dB以下。加入匹配網(wǎng)絡(luò)后的仿真結(jié)果如圖10所示，從圖中也可以看出，S11只是在一個(gè)很窄的帶寬內(nèi)滿足要求，這也是DMN技術(shù)的局限。

　　5 結(jié)語

　　本文從s參數(shù)的角度分析了一個(gè)雙天線系統(tǒng)的去耦合方法，并通過一個(gè)天線設(shè)計(jì)實(shí)例，使用HFSS和ADS進(jìn)行去耦合前和去耦合后的仿真。結(jié)果顯示加入去耦合網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)后兩個(gè)天線間的耦合可以降低至-35 dB以下，反射系數(shù)也可達(dá)到-15 dB以下，這滿足了工作于710 MHz的移動(dòng)設(shè)備的要求。