高隔離度雙極化孔徑耦合天線設(shè)計

0 引言

當今，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到越來越廣泛的發(fā)展。目前最為熱門的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)莫過于長距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3G 和近距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)WiFi.鑒于WiFi 產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展及廣闊的應(yīng)用前景，本文將設(shè)計一個工作在2.4~2.5 GHz頻段的高隔離度雙極化孔徑耦合天線，適用于WiFi陣列天線單元。為實現(xiàn)無縫上網(wǎng)及改善通信質(zhì)量，近年來，雙極化天線逐漸流行，其原因主要是它可以提供極化多樣化，以減少接收信號的多徑衰落;并且頻率復用可以加倍無線通信系統(tǒng)的容量;而且可以將一對正交極化端口分別用作接收端和發(fā)射端，實現(xiàn)雙工操作。當工作在收發(fā)雙工模式時，雙極化天線同時發(fā)射或接收兩個正交極化的電磁波，因而要求兩種極化端口之間有良好的隔離。天線隔離度是指一個天線發(fā)射信號，通過另一個天線接收的信號與該發(fā)射信號的比值。

改善天線隔離度已成為諸多無線電系統(tǒng)天線中經(jīng)常遇到的問題。通常要求天線隔離度在-28 dB以下。

本文綜合運用孔徑耦合技術(shù)和雙線饋電技術(shù)設(shè)計出了一種適用于WiFi工作的高隔離度、雙極化天線，通過實測分析不同貼片間距以及孔徑大小對天線隔離度的影響，確定了最佳貼片間距和孔徑尺寸，達到了較高的回波損耗和隔離要求：天線兩個端口的回波損耗在2.4~2.5 GHz能達到-16 dB 以下，在工作頻段內(nèi)雙端口隔離度優(yōu)于-31 dB,可滿足陣列天線系統(tǒng)的需要，便于組成大型陣列。且該頻段天線具有很大需求及發(fā)展空間，研究此頻段內(nèi)的天線有很好的現(xiàn)實意義。與其他設(shè)計相比，該設(shè)計單元在結(jié)構(gòu)上更講究對稱，也更簡單;所得結(jié)果更加理想，尤其體現(xiàn)在隔離度上。

1 天線設(shè)計

本文所設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線采用H型孔徑耦合結(jié)構(gòu)，孔徑的設(shè)計是微帶天線設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，孔徑的大小和形狀影響著饋電層和輻射層之間的耦合強度。該孔徑層由FR4介質(zhì)覆銅板組成，接地板和饋線分別位于介質(zhì)板的上表面和下表面。輻射貼片用塑膠螺絲和尼龍柱支撐，位于介質(zhì)板上方。中間全以空氣填充，相當于減小了上層介質(zhì)板的平均相對介電常數(shù)，降低了微帶天線的Q 值，提高了天線的增益。為了減少H型槽所引起的背向輻射，在離接地板約1 4 波長處加了一塊金屬反射板(中間同樣用塑膠螺絲和尼龍柱連接和支撐)，這也有利于提高天線的增益。設(shè)計所選用的介質(zhì)板材為FR4,其相對介電常數(shù)為4.4,損耗角正切為0.02,厚h = 1.6 mm.

該設(shè)計采用的是孔徑耦合的饋電方式，這種方式克服了傳統(tǒng)饋電方式帶來的電感效應(yīng)和饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射等缺點。其不需要在基片上打孔，便于制作;使得饋電層與輻射層完全隔離，避免了饋電網(wǎng)絡(luò)的輻射干擾;且易于實現(xiàn)阻抗匹配。在天線設(shè)計結(jié)構(gòu)上，該設(shè)計采用相同的對稱結(jié)構(gòu)，進行正交排布，從而形成雙極化特性。

根據(jù)縫隙耦合微帶天線的傳輸線法，可初步確定天線的幾何尺寸(包括貼片尺寸、2 個縫隙尺寸以及饋線長寬)。

2 仿真與實測結(jié)果分析

根據(jù)上面的布局設(shè)計，利用HFSS電磁仿真軟件，對天線進行建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計。天線仿真模型如圖2所示。激勵通過Lumped port經(jīng)微帶饋入，該饋電方式易于組成大型陣列。

通過利用微波仿真軟件HFSS進行仿真，以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實測，駐波結(jié)果如圖3(a)所示，得出天線兩個端口的回波損耗都在-16 dB 以下(兩端口回波損耗基本一致)，能達到較高的通信要求。隔離度結(jié)果如圖3(b)所示，可以看出，在整個頻段內(nèi)達到-31 dB 以下，具有良好的端口隔離度。從圖3中可以看出，可能由于加工、環(huán)境等因素，實測結(jié)果沒有仿真結(jié)果理想，但仍能吻合較好，達到較高要求。

通過實測分析不同貼片間距以及孔徑大小對天線隔離度的影響，該實測是在基本滿足回波損耗的條件下進行的，即回波損耗低于-14 dB.

對不同貼片間距和不同孔徑尺寸的天線隔離度分別進行研究，當輻射貼片和孔徑貼片間距離分別為d1 =7 mm,d2 = 6 mm,d3 = 5 mm,d4 = 8 mm,d5 = 9 mm,孔徑寬分別為L1 = 2 mm,L2 = 3 mm,L3 = 1 mm時，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀實測，得出不同貼片間距和不同孔徑尺寸天線的端口隔離度見表1.

取d = 7 mm,L = 2 mm,得出不同孔徑貼片和反射板之間距離D1 = 27 mm,D2 = 28 mm,D3 = 29 mm,D4 =26 mm,D5 = 25 mm 時的實測天線端口隔離度見表2.

從表中比較可以看出，當輻射貼片和孔徑貼片間距離為7 mm,H形孔徑寬度為2 mm,輻射貼片和放射板間距離為27 mm時，能獲得最大隔離度值，為-31 dB,而且此時回波損耗能夠達到-16 dB.

工程中常被采用過的有效改善隔離度的措施主要有：阻擋法(即在電磁耦合通道上設(shè)置障礙阻擋電磁耦合)、正交極化法(即2副天線采用相互正交的極化)、抵消法(即在兩天線之間人為開辟另一耦合通道，使之與原耦合相互抵消，實現(xiàn)隔離效果的增強)以及恰當?shù)奶炀€布局(增大天線間距可提高天線隔離度，但實際上經(jīng)常遇到限制)。

針對文中所示天線設(shè)計，基于微帶天線以及雙極化天線的獨特結(jié)構(gòu)，僅正交極化法和恰當?shù)奶炀€布局能有所體現(xiàn)：該天線采用正交極化法，天線極化正交，位置正交;另外合理恰當?shù)奶炀€布局主要體現(xiàn)在孔徑貼片與輻射貼片的距離以及孔徑貼片與反射板之間的距離上，這也正是該天線取得較高隔離度的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

該高隔離度雙極化孔徑耦合天線經(jīng)仿真及實測，其回波損耗及隔離度都能達到較好效果，兩個端口的回波損耗在2.4~2.5 GHz能達到-16 dB以下，在工作頻段內(nèi)雙端口隔離度優(yōu)于-31 dB,可作為WiFi天線單元，用于陣列天線。而且2.4~2.5 GHz 為各國共同的ISM 頻段，無線局域網(wǎng)、藍牙、ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)均可工作在此頻段上，故該頻段基站天線有很大需求及發(fā)展空間，研究該頻段內(nèi)的天線具有很好的現(xiàn)實意義。而且該天線為雙極化天線，結(jié)果理想，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于制作，可滿足較高的陣列天線單元要求。