季英俊，程崇虎

（1.南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京210003；2.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京210003）

由于具有自适应归零[1]和增加信道容量[2]等特点，自适应阵列和多输入多输出（MIMIO）无线通信系统受到人们广泛的关注和重视。为了实现这些优异的性能，解决紧密相邻的天线间同频干扰问题就显得尤为重要。

已经有很多关于改善天线之间的隔离度的研究。在文献[3-6]中，通过使用缺陷地结构来实现隔离度的提升，然而这种结构破坏了背部地的完整性，增加了天线背部的辐射。采用电磁带隙[7-9]（EBG）来限制天线之间表面波传播，但由于其需要大量的空间，增加了几何复杂性，导致使用条件受限。[10]提出了一种对称共面条带结构增强隔离，但由于分离壁垂直于天线阵列的平面，是通过牺牲天线阵列的平面性来提升元件之间的隔离度[11-13]。提出了中和技术，该技术需要用连接线来创造额外的场去抵消原有的耦合场。此外[14-15]，中的去耦网络方法也可以实现去耦效果，利用馈电网络代替了在天线间插入去耦结构实现去耦，但是复杂的馈电网络的设计增加了设计的难度。

文中设计了一种5条微带交指线结构，该结构类似于平行耦合线结构，能够产生带阻特性。电磁仿真软件仿真结果表明，以5.8 GHz为中心，30 dB隔离带宽可达33 MHz，最大隔离度可达49.5 dB，相比文献[16]提出的3条平行耦合线去耦结构，30 dB隔离带宽提升了57%（12 MHz），隔离度提升了56.6%（17.9 dB），符合5条微带交指线去耦结构的设计要求。

1　天线的去耦设计

本文的去耦结构是在文献[16]所提出的去耦结构基础上进行了改进设计，图1显示文献[16]中加入3条微带交指线结构的二元微带天线阵的几何结构，微带交指线结构在两个微带贴片天线中间起到带阻滤波的作用，能够将从天线A1上耦合到天线A2的场滤除，因而可有效的增强天线间的隔离度。文章[16]对3条微带交指线结构进行仿真计算，仿真表明30 dB隔离带宽为21 MHz，在5.72 GHz处取得最高隔离度31.6 dB。该去耦结构的具体尺寸详见表1所示。

表1　微带天线阵结构参数

图1　加入3条微带交指线结构的天线阵

本文在文献[16]中设计的3条微带交指线的基础上，设计出一种以5.8 GHz为中心频率，30 dB隔离带宽为33 MHz，且在5.8 GHz处取得最大隔离49.5 dB的5条微带交指线结构，且该结构不会改变贴片天线阵未加去耦时的方向图。

在馈电方式、天线大小、间距以及介质基板均不变的情况下，仅改变去耦结构从而实现性能的提升，改进后去耦结构参数如表2所示。

表2　改进微带交指线尺寸

图2　加入5条微带交指线结构的天线阵

如图2所示，加入5条微带交指线去耦结构的二元天线阵的结构。两个采用同轴底馈、工作在5.8 GHz的微带天线沿H面紧密摆放，天线边到边间距ds和中心间距dc分别为 3.6 mm（0.07λ0，λ0为5.8 GHz对应的自由空间波长）和 15.6 mm（0.3λ0）。天线介质基板材料选用RO4003，相对介电常数为3.55，厚度为1.524 mm。5条微带交指线上的过孔半径r为0.1 mm。

2　仿真结果和分析

在HFSS中，参照如图2所示的模型建模并进行仿真计算。仿真过程中，发现当条带长度L1约为四分之一个微带线波长，且L1、L2和L3取不同长度、间隔宽度时，两天线之间的隔离度能得到比较满意的结果。

图3显示了长度L1=6.6mm时，条带长度比L1/L2/L3对隔离度的影响。结果表明当L1/L2/L3为1.99时，在5.8 GHz取得最优隔离效果。

图3　不同L1/L2/L3比率下的S21结果

图4　不同L1长度下的S21结果

图5　不同d1长度下的S21结果

图4显示了长度L1与隔离度间的关系。在固定长度比（L1/L2/L3=1.99）的情况下，随着条带长度的增加，隔离频带向低频移动，且隔离效果越佳，但当条带长度L1大于6.6 mm时，隔离效果又会随之变差。因此，L1=6.6 mm是5.8 GHz工作频率的隔离效果对应的最佳长度。

另外如图5所示，天线间的隔离度同样受条带间隔d1影响。从图中可以发现，在固定长度比和L1的情况下，最优隔离度对应的d1为0.20 mm。

图6　无、三条、五条交指微带线情况二元天线阵的s11图

图6对5条微带交指线去耦结构、文献[16]中3条微带交指线去耦结构以及无去耦结构的二元天线阵的匹配情况进行比较。结果显示5条线结构的匹配最好，其次是3条线结构，最后是无去耦结构。10 dB匹配带宽依次为310 MHz（相对带宽5.3%）；220 MHz（相对带宽为3.8%）；220 MHz（相对带宽为3.8%）。

图7　无、三条、五条交指微带线情况二元天线阵的s21图

图7对5条微带交指线去耦结构、文献[16]中3条微带交指线去耦结构以及无去耦结构的二元天线阵的隔离度进行对比。相比无去耦结构，3条和5条微带交指线具有明显的去耦效果。文献[16]中去耦结构的30 dB隔离带宽为21 MHz，并在5.72 GHz处达到最大隔离31.6 dB，与无去耦结构相比，隔离度最大提升了23.6 dB。而5条微带交指线结构30 dB隔离带宽达到33 MHz，且在中心处取得最大隔离49.5 dB，较3条微带交指线结构，30 dB隔离带宽提升了57%（12 MHz）隔离度提升了56.6%（17.9 dB）。

图8　天线A1在5.8 GHz处E平面方向图

图8显示了加入5条微带交指线结构与未加入任何去耦结构时，天线A1在5.8 GHz处的E平面方向图之间的对比曲线。图中虚线是未加任何去耦结构时的数据曲线，实线是加入5条微带交指线结构的数据曲线。

图9　天线A1在5.8 GHz处H平面方向图

图9显示了加入5条微带交指线结构与未加入任何去耦结构时，天线A1在5.8 GHz处的H平面方向图之间的对比曲线，图中虚线是未加任何去耦结构时的数据曲线，实线是加入5条跳微带交指线结构的数据曲线。

由图8、9可知，加了5条微带交指线去耦结构后H面的最大方向向左偏移了250，E面的最大方向在00；而未加去耦结构时H面的最大方向因为耦合的影响向右偏移了250，天线E面的最大方向在00。因此，去耦结构对天线的辐射方向图有一定的改善作用尤其改善了天线H面方向图在-250到250范围内的增益的平坦度，此时天线增益为8.2 dBi。

3　实物制作与测试分析

参照表1和表2的结构尺寸，加工制作了含有5条微带交指线结构的二元微带天线阵，实物照片如图10所示。

图10　加入5条微带交指线去耦结构的二元天线阵的仿真和实测S参数以及实物图

测试结果表明天线的10 dB匹配带宽为260 MHz（相对带宽4.5%），略小于仿真结果310 MHz（相对带宽5.3%）。实测S21在5.82 GHz处取得最大隔离36.1 dB，30 dB去耦带宽18 MHz，略小于仿真结果33 MHz。原因可能是实际加工存在一定的误差，导致隔离带宽和最大隔离效果未达到预期。

4　结束语

针对紧密摆放的微带天线间存在同频干扰问题，设计了5条微带交指线去耦结构。该方法的机理是利用微带交指线结构的滤波特性，将耦合场进行滤除，从而提高紧密摆放微带天线间的隔离度。由HFSS仿真结果可知这种结构的天线带宽、隔离度都符合要求。在保持良好的天线辐射性能情况下，还能对天线的辐射方向具有一定矫正作用。实测结果也验证了其去耦效果。虽然实测与仿真存在一定的差距，但通过提高加工精度和去耦结构的鲁棒性，能够解决实测和仿真之间存在差距的问题。