武警工程大学研究生管理大队 余 阳

微带贴片天线隔离度方法的研究综述

武警工程大学研究生管理大队 余 阳

随着天线逐渐向小型化方向发展，天线间距离越来越近，互耦现象变得尤为突出。因此降低天线间的耦合，增加天线的隔离度显得尤为重要。文章主要对近年来研究人员研究的增加微带贴片天线隔离度的各种方法进行了归纳与总结，为日后进一步的研究提供参考性意见。

微带贴片天线；隔离度；耦合

0 引言

微带贴片天线具有体积小、重量轻，能同有源电路集成，便于获得圆极化、双极化和双频段等多功能工作的优点，而广泛应用于无线电设备中，尤其是飞行器上和地面便携式设备中，且天线布局的越来越密集，与天线密集布置相伴的是严重的电磁干扰问题。电磁干扰主要传输途径是天线间的耦合。常用隔离度来定量表征这种耦合的强弱程度，它定义为一个天线发射功率与另一天线所接受功率之比，用dB来表示。纵观增加天线隔离度各种方法，可以将它们分成三类，分别是正交极化法、抵消法和改变天线布局。本文仅就上述几种方法做一简要介绍和分析对比。

1 正交极化法

即是接收与发射天线采用相互正交的极化方法，增大天线的隔离度。双极化贴片天线就是此种方法的一个典型的例子。一般双极化贴片天线有两个端口，两端口发射的是两种正交的极化波，虽然双极化贴片天线种类很多，但根据它们采用的馈电技术可以分为三类，分别是用同轴共轴、用孔径耦合和用微带线进行馈电的双极化贴片天线[1]，如图1所示。

图1 (a)同轴共轴(b)孔径耦合(c)微带线馈电的贴片天线

图2 端口隔离度测试结果图

文献[1]用仿真软件对这三种双极化贴片天线的隔离度和交叉极化水平进行测试，结果如图2和图3所示，为保证公平性，天线的中心频率均为2.8GHz。将结果归纳至表一中，可以看出三种贴片天线均有一定的隔离效果，但孔径耦合馈电型贴片天线无论从隔离度还是极化水平均比另外两种天线的效果好。当然，此极化贴片天线只是一种最基本的结构，现在极化贴片天线结构多种多样，有的还将几种馈电方式结合起来一起使用，且不再是单层或双层结构，而是多层结构的微带阵列天线，隔离效果也更好[2-4]。

表1 三种极化贴片天线隔离度和极化水平测试结果对比

3 抵消法

抵消法的原理是：在两天线之间人为开辟一耦合通道，使之与原耦合相互抵消，达到隔离效果。比较常见的一种方法是通过设置馈电网络来抑制天线之间的相互耦合。馈电网络去耦的原理是利用阵元间产生的耦合与新引入的馈电网络相互抵消，从而降低耦合度。比较常用的方法是在两天线的中间引入产生与耦合电流相反的隔离阵子，阵元之间的耦合与隔离阵子所形成的附加耦合正好抵消。有两种方式可以产生反向电流：一种是通过引用中和线技术，用一条金属带连接两个天线单元，人为地引入与耦合电流的相位相反的电流[6]；另一种是改变隔离阵子的形状，使其产生反向电流[5,7-9]。

图4 方向耦合隔离的馈电结构

如图4所示，文献[9]在天线的阵元之间引入了一个隔离阵子，其形状呈十字型，馈电结构产生的电流方向分析如图5所示。由于天线关于x-z平面是完全对称的，理想差分信号作用于端口1，使得电流关于x-z平面也是完全对称的，且在端口2上产生的激励的幅度和相位也是相同的。由于虚拟交流地线的存在，抑制了共模信号，也使得差分信号不能耦合到端口2。理论上，此时天线端口的隔离度是无限大的。但实际上，理想的差分信号是无法产生的且也不可能制造出完全对称的天线。因此天线之间虽不能达到完全隔离，但这种馈电结构能大大降低天线的隔离度。

图5 天线的馈电和辐射结构的电流方向分析图

文献用仿真软件对隔离度测试结果如图6所示，从图中可以看出，隔离效果非常好，基本都在-40dB到-55dB之间。

图6 端口隔离度测试结果图

4 改变天线的结构

为了提高微带贴片天线的隔离度，我们已发现出许多结构能有效降低微带天线间的耦合，例如电磁带隙(EBG)结构去耦，人工导向介质（SRR）结构去耦等。这些结构去耦的原理也比较相似，均是在天线介质中加入这些结构，而它们能够阻碍或抑制表面波的传播，达到去耦的目的，从而增大天线间的隔离度。周期性的EBG结构在某一频段范围内会产生一定的带阻或带通效应，能有效抑制表面波的传播[10]。SSR结构则能够产生电谐振，谐振会抑制某些频段的电磁波，从而阻碍表面波的传播。还有最新提出来的非周期RAMC结构，是一种新型球面投影人工平面材料，类似于一个圆柱形金属反射器可强聚焦电磁波，降低天线交叉极化水平，增加隔离度。[11]

除金属板的结构，随之接地板与微带线之间的电场分布就改变了，从而对某一频段电磁波起到滤波作用，因此提高了天线间的隔离度。例如文献[11]指出六边形贴片天线的端口隔离度很高，在8GHz的中心频率下隔离度能达到40dB[12]；还有近年来缺地陷结构（DGS）是一种比较热门、使用较多的结构，许多天线设计都采用DGS结构增加天线的隔离度，而且形状各异，有H型的，有并列锯齿形状的，这里就选择其中的一种DGS结构，对其进了这两种方法外，还有仅单纯地改变天线行简要地介绍，并分析其隔离效果[13-15]。

缺地陷结构（DGS）是1999年韩国学者提出来的，在天线的金属接地板上开出一条哑铃型缝隙，由于这种结构简单又便于实现，不需要开辟其他的空间单元或是增加额外电器件，就能够实现天线振元间的互耦，受到人们高度重视。如图7所示，文献[15]在微带贴片天线中采用了DGS结构，并对天线的隔离度进行了测试。

图7 使用DGS结构的微带贴片天线示意图

由于天线结构的对称性，S21=S12。因此。耦合系数只需要看S12即可。对天线建模仿真，结果如图8所示。

图8 DGB结构天线的耦合系数图

由图8可知，天线阵阵元之间的耦合系数达到-35dB,去耦效果明显，得到了很好的隔离效果。

5 结论

综合以上各类方法，现将每种方法的优缺点总结如下表2。总体来说，增加微带贴片天线的方法很多，方法不单一，并且综合使用各类方法可以得到更好的隔离效果。当然这些方法不仅适用于微带天线，对其他天线和天线阵也适用，但是要想设计出一款经济化、微型化、高集成化而且隔离效果良好的天线，还需在此基础上不断地探索创新。

表2 三种方法优缺点分析对比表

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