采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙極化槽天線的設(shè)計

1、引言

多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)可以有效地利用多徑信號，成倍地增加信道容量。在當(dāng)今大容量、高速率的通信中，MIMO系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。MIMO為了減少天線接收信號間的相關(guān)性，需要適當(dāng)增大天線間的距離；當(dāng)系統(tǒng)的空間受限時，信號相關(guān)性增強，導(dǎo)致信道容量減小。為了克服這一問題，多極化天線逐步得到關(guān)注，利用高隔離度的極化減少天線的數(shù)目，節(jié)省空間。

以雙極化天線為例，通過單天線的兩種極化代替雙天線，從而節(jié)省兩個天線間的距離。在目前的文獻中實現(xiàn)雙極化最常用的技術(shù)是激勵兩種正交（高隔離度）的模式，進而實現(xiàn)兩種正交（高隔離度）的極化。由于兩種極化在隔離度上有比較嚴(yán)格的要求，如何提高兩種極化饋電端口間的隔離度是雙極化天線的難點。

目前有效的技術(shù)包括：（1）采用差分饋電的方式，使兩種極化的零點重合，避免耦合；（2）在兩種極化饋線間采用空氣橋的技術(shù)，即在饋線交叉的部分減小線寬來減少耦合，同時進行饋電電路的匹配；（3）采用多路平衡的技術(shù)，即在端口1和2之間存在多個耦合路徑，且使多路耦合信號疊加為0，實現(xiàn)高隔離度；（4）采用不同物理結(jié)構(gòu)饋電，如分別采用探針和耦合方式激勵兩種極化。以上的方法可以實現(xiàn)的隔離度達到-25dB至-30dB，但是共同的特點是饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，引入的空氣橋、功分器等帶來了損耗，天線單元也不夠緊湊，造成空間的浪費。

本文針對雙極化天線小型化、高隔離度、設(shè)計簡單的需求，提出一種應(yīng)用于無線局域網(wǎng)（WLAN）的雙極化槽天線，饋線采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用其兩種正交的模式激勵天線單元水平和垂直兩種極化。兩種極化都工作在2.4GHz，實現(xiàn)的-10dB帶寬分別為690MHz（28.75%）、590MHz（24.58%），覆蓋WLAN所需頻帶（2.4GHz-2.484GHz），端口隔離度優(yōu)于-22dB。最后給出了天線輻射效率和增益的測量結(jié)果。

2、天線結(jié)構(gòu)

雙極化槽天線的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示，正面100*80mm2的銅板刻有52*50mm2的矩形槽作為天線輻射單元，天線由厚度為1mm的FR4（εr=4.4）介質(zhì)板支撐。背面為饋電端口1，為L形的微帶線（寬1.9mm）；正面為饋電端口2，通過共面波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體（寬1.9mm）探入槽進行饋電。端口1將能量耦合到共面波導(dǎo)，通過縫隙（寬0.7mm）饋電。通過調(diào)節(jié)兩個端口饋線的長度實現(xiàn)匹配。

圖1天線結(jié)構(gòu)及尺寸

在單天線上實現(xiàn)雙極化，要求天線單元同時支持兩種高隔離度的極化模式，矩形槽天線的水平和垂直極化可滿足正交的要求，所以選擇槽天線作為天線單元。為克服雙極化饋電的復(fù)雜性，采用共面波導(dǎo)的饋電結(jié)構(gòu)。由于共面波導(dǎo)可以同時支持奇模和偶模，兩種模式的電場分布如圖2所示，故可以同時激勵槽天線的水平和垂直極化。這樣兩種極化模式和兩種饋電模式可以分別在單一的槽天線和共面波導(dǎo)上實現(xiàn)，體現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)的緊湊性。兩個端口饋電時，天線上電流分布如圖3所示?？梢钥吹剑丝?饋電時，共面波導(dǎo)兩側(cè)電流反相；端口2饋電時兩側(cè)電流為同相。

圖2共面波導(dǎo)兩種模式電場分布

圖3不同端口饋電的電流分布

3、測試結(jié)果

雙極化槽天線的實物如圖4所示。端口1、2的回波損耗和端口間的隔離度測試結(jié)果如圖5所示，其中S11-10dB的頻帶寬度為1.92GHz-2.61GHz（28.75%），S22-10dB的頻帶寬度為2.08GHz-2.67GHz（24.58%），可以覆蓋無線局域網(wǎng)（WLAN）的頻段2.4GHz-2.484GHz，且在該頻段端口隔離度S21優(yōu)于-22dB。

圖4天線實物

圖5S參數(shù)測試結(jié)果

天線由端口1、2饋電時的方向圖測試結(jié)果如圖6、7所示。在圖6中，E面（X-Y平面）和H面（Y-Z平面）的3dB波束寬度大約分別為60°和180°，在此波束內(nèi)的交叉極化分別優(yōu)于13.3dB和19.8dB；在圖7中，E面（Y-Z平面）和H面（X-Y平面）的3dB波束寬度大約分別為120°和50°，在此波束內(nèi)的交叉極化分別優(yōu)于17.1dB和10.5dB。端口1、2饋電時在X-Y平面的交叉極化稍大（未優(yōu)于15dB），但是可以看出兩種極化的極點與零點相互對應(yīng)，二者方向圖的積分值在零點左右相互抵消，總積分值接近于零，故兩種極化基本不相關(guān)。在Y-Z平面內(nèi)極化隔離度足夠高，可認為極化間相關(guān)性小，故天線由共面波導(dǎo)兩種正交模式激勵時，在3-D空間內(nèi)具有較低的極化相關(guān)性。

圖62.4GHz時端口1饋電輻射方向圖

圖72.4GHz時端口2饋電輻射方向圖

天線輻射的效率和增益分別由圖8、9所示。天線在所需WLAN頻段內(nèi)效率優(yōu)于83%。增益優(yōu)于3.2dBi。同時在相鄰頻段內(nèi)也具有很高的效率和增益。

圖8天線輻射效率

圖9天線增益

4、結(jié)論

針對于雙極化天線高端口隔離度、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計簡單的需求，本文提出一種新穎的應(yīng)用于WLAN的雙極化槽天線，采用簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與參考文獻中復(fù)雜結(jié)構(gòu)相近的性能。天線饋線采用共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，利用共面波導(dǎo)兩種正交的模式激勵水平和垂直兩種極化。兩種極化工作時都可以覆蓋WLAN所需頻帶（2.4GHz-2.484GHz），水平極化實現(xiàn)的-10dB帶寬分別為690MHz（28.75%），垂直極化為590MHz（24.58%），端口隔離度優(yōu)于-22dB，且在3-D空間內(nèi)具有較低的極化相關(guān)性，適用于MIMO系統(tǒng)空間受限的情況，通過雙極化代替雙天線。且天線的效率在所需頻段上優(yōu)于83%，增益優(yōu)于3.2dBi。