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具有缺陷地结构的低耦合阵列天线设计

2021-03-30王新延高振斌郑宏兴

河北工业大学学报 2021年1期
关键词:耦合天线特性

王新延 高振斌 郑宏兴

摘要 基于缺陷地结构设计了一款低耦合阵列天线,该天线工作频率为5.8 GHz,整体尺寸为45 mm × 55 mm × 1.52 mm。缺陷地结构呈左右两侧带有锯齿的条状,组成2×1阵列的形式加载至接地表面。在天线阵元边到边间距为0.050 2 λ0的前提下,天线在5.8 GHz处的耦合度降低了28.8 dB,主瓣增益提升了0.3  dB,同时天线尺寸减小了0.57 mm,包络相关系数低于0.03,满足S11 < -10 dB的工作带宽有170 MHz(5.722~5.892 GHz)。结果表明该缺陷地结构可以有效地抑制沿H面放置的天线表面波传播,改善天线阵元间的互耦。

关 键 词 阵列天线;H面耦合;缺陷地结构;包络相关系数

中图分类号 TN82     文献标志码 A

Abstract A low-coupling array antenna with small size of 45 mm×55 mm×1.52 mm is presented based on defected ground structure (DGS). The antenna elements are placed in H-plane coupling and the working frequency is 5.8 GHz. The DGS unit is a strip serrated on both sides, which is inserted between antenna elements in a 2×1 array form. The reduction of 28.8dB in the mutual coupling between two antennas with 0.050 2 λ0(edge-to-edge distance)at 5.8 GHz and improvement of 0.3 dB in gain, a  shortening  of 0.57 mm in size, bandwidth of 170 MHz (5.722-5.892 GHz) in S11 < -10 dB and the envelope correlation coefficient (ECC) less than 0.03. The results show that the DGS can effectively suppress the surface wave propagation and reduce the mutual coupling between the antenna elements.

Key words array antenna; H-plane coupling; DGS; ECC

0 引言

隨着无线通信系统快速发展,用户对信道容量和通信质量要求越来越高,微带天线因其制作简单、尺寸小、低剖面、单向辐射等特性常以阵列的形式应用于卫星和医疗系统[1]。微带阵列天线充分利用空间资源在不增加带宽和发射功率的前提下满足用户需求。但在有限的空间放置多个天线阵元激发的互耦效应严重影响了天线性能进而导致信号失真影响整个通信系统。微带天线阵元间的互耦通常由空间波和表面波共同激发而成,文献[2]介绍了在微带天线中,除了由直接辐射形成的空间波以外,还可以激发表面波从而产生轴向辐射,这些表面波能够传播到辐射贴片外部的介质板中以地表面电流的形式传递耦合能量。文献[3]研究表明当介质板较厚(厚度大于0.3×λ0×εr(?1/2)/(2×π))、介电常数较大时,激发的表面波模式数量就会明显增多,此时表面波强于空间波。反之,空间波占主导地位。因此,针对微带阵列天线的去耦合研究至关重要。为解决微带阵列天线设计中存在的耦合问题,适应天线小型化的发展,通常采用缺陷地结构,这种方法对于表面波耦合的抑制是最有效、最容易实现的。相比较电磁带隙结构[4-5],不需要在介质中添加周期性过孔或复杂缺陷结构,加工简便。文献[4]将带有通孔的蘑菇型电磁带隙结构应用于两单元微带阵列天线间,在天线边到边间距为0.75λ0的前提下,端口间隔离度提高了8 dB。但该结构涉及打孔,这在电损耗和加工制作成本方面是不占优势的;文献[5]采用了一种平面的电磁带隙结构,以两排并列的缺陷图案加载在接地表面,消除了对通孔的需要,但其周期性排布的结构特性增加了设计的复杂度,占用了天线间较大的空间面积,这对于逐渐受限的天线应用平台来说,存在局限性。典型的缺陷地结构有开口谐振器[6]、H形[7]、矩形[8-9]、“I”形[10]等,其中:文献[6]采用互补型开口谐振器来抑制沿E面放置的两单元微带天线间的耦合,实现了在天线间距为0.25λ0的条件下,隔离度提高10 dB的效果;文献[8]中,将矩形缝隙结构加载至接地表面,在天线间距仅有0.058λ0时,5.8 GHz处的耦合度达到28 dB,解决了沿E面放置的微带阵列天线的耦合。上述主要集中于E面放置的阵列天线的耦合抑制,针对H面去耦研究,文献[9-10]分别将“双矩形”和“I”形结构加载至天线阵元正下方的接地表面,在有效抑制沿H面放置的微带阵列天线表面波耦合的同时,由于缺陷结构接近同轴馈源,导致天线的匹配特性受到严重干扰。

本文通过加载2×1阵列形式的缺陷地结构,在保证天线物理和电气特性稳定的前提下有效地抑制了微带阵列天线的H面耦合。采用构造带阻滤波器的方式完成缺陷地结构的滤波特性分析和尺寸确立,其中心频率为5.8 GHz,加载至天线接地表面。利用HFSS仿真软件对比分析了天线特性随缺陷地结构的加载形式和参数尺寸变化的规律,查看天线加载缺陷地结构前后的S参数、远场辐射增益和地表面电流分布情况。仿真和实测结果表明,加载缺陷地结构后,天线在中心频率的隔离度提高了28.8 dB,主瓣增益提升了0.3 dB,验证了该方法的实用性。

1 缺陷地结构带阻滤波器

采用构造带阻滤波器的方式对缺陷地结构进行频率特性分析,图1a)给出了带阻滤波器仿真模型,介质材料采用聚四氟乙烯(PTFE),其tan δ = 0.001 8,εr = 3.5,H = 1.52 mm。缺陷地结构腐蚀在介质板下表面,上表面是特性阻抗为50 Ω的微带线,利用HFSS仿真软件查看两端口之间的传输损耗系数S21。图1b)给出了缺陷地结构单元图,图中参数W2,L2,a,b,c为确定缺陷地结构的形状,其初始取值分别为W2 = 0.5 mm,L2 = 16.85 mm,a = 2.48 mm,b = 0.7 mm,c = 3.24 mm。

接下来在保持结构其他参数大小不变的前提下,重点分析了参数b和c对缺陷地结构滤波特性的影响,分别如图2和图3所示。图中带阻谐振频率随两参数尺寸的增大而降低。因此可以通过调节该参数尺寸进而改变微带线的分布电抗以达到调节缺陷地结构带阻频率特性的目的。另外在5.67 GHz至5.94 GHz的频段内,插入损耗的值均小于-20 dB,其在5.8 GHz频率附近的S21值接近-21.8 dB。

2 阵列天线设计与分析

将缺陷地结构组成阵列加载至接地表面,设计了一款低耦合微带阵列天线,如图4所示。天线的工作频率为5.8 GHz,同样选用材质为PTFE的介质板,其尺寸为W×L。介质板下表面全部印刷有接地面;矩形贴片沿中心轴线对称地印刷在介质板的上表面,尺寸为L1 × W1,天线阵元间距为t;矩形贴片采用同轴馈电技术沿H面耦合放置;馈电中心到辐射贴片中心间距为G,馈源内芯尺寸R = 0.6 mm,提供50 Ω匹配阻抗;缺陷地结构呈2×1阵列的形式,阵元间隔为k。

在低耦合微带阵列天线的设计中,为了能够使天线产生高效率辐射,其阵元的贴片尺寸和同轴馈源的位置可根据微带天线设计理论进行估算[11]:

根据已知条件,利用式(1)至式(6)计算可得天线阵元和同轴馈电位置的初始尺寸为[W1]= 17 mm,[L1]= 13.2 mm,G = 2.8 mm。采用HFSS对天线结构进行参数扫描分析,综合考虑其辐射增益、匹配特性、隔离度和工作带宽等因素,最佳天线结构尺寸如表1所示。

为深入理解缺陷地结构的去耦合性能,3种加载形式如图5所示,所有结构尺寸保持与表1一致,其中图5a)表示将缺陷地结构单元加载在微带阵列天线接地面的正中间位置,图中缺陷地结构单元到贴片上下边缘的距离均为d1 = 14.075 mm,即(L - L2)/2;图5b)和图5c)分别表示只保留上、下半部分的情況。

本文以常用的S参数来评价天线的去耦性能。S21随缺陷地结构不同加载形式的变化曲线如图6所示。这里由于天线结构左右对称,S21与S12曲线一致,所以选取S21来表征天线阵元两端口间的隔离度。图中相比较没有加载缺陷地结构,其耦合度明显得到改善。其中中间加载去耦效果较弱;而相对于加载2×1阵列的缺陷地结构,其去耦效果远远不及,这主要是由于2×1阵列结构能够被微带天线的非辐射边有效的激励,改变接地表面电流分布,达到充分展现带阻和慢波特性的目的。

为进一步理解缺陷地结构对天线性能的影响,对天线结构中几个重要参数b、c和k进行扫描分析。图7直观地显示b和c主要影响带阻频率特性,其表现为随着b和c尺寸的增加,S21的谐振频率逐渐向低频偏移,这与文献[3]描述的规律一致,为使微带阵列天线在5.8 GHz处的隔离度最高,选取b = 0.7 mm,c = 2.29 mm。图8表示k主要影响去耦深度,几乎不影响去耦谐振频率,在天线阵元间距t = 2.6 mm时,k取1.8 mm去耦效果最佳。

为更准确表征缺陷地结构的去耦效果,图11描述了微带阵列天线在5.8 GHz处加载缺陷地结构前后地表面电流分布情况。加载缺陷地后,两端口之间地表面电流密度明显稀疏,电流主要集中在缺陷地结构周围,成功地阻碍了天线阵元间耦合能量的传输,实现了天线高隔离的特性,这里采取端口1激励,端口2接50 Ω匹配负载的方式。

3 实验结果

根据表1的尺寸制作出天线实物,如图12所示。其中图12a)表示天线的正面结构,图12b)表示背面结构,可以看出该微带阵列天线结构简单紧凑,尺寸小。

利用矢量网络分析仪测量微带阵列天线S参数,图13是天线S11和S21参数仿真与测量的对比曲线。实际测量结果表明天线频率响应特性较仿真结果稍有偏移,具体指其工作频率为5.85 GHz,满足S11 < -10 dB的带宽为150 MHz (5.776~5.926 GHz),天线S21的中心频点为5.875 GHz,稍微向高频倾斜。同时在5.8 GHz处的隔离度为-20.19 dB,这主要是由于测量环境和天线实物加工设备的精确度等造成的误差。但总体来说,实测与仿真结果基本吻合,该天线性能优良,满足5.8 GHz处无线局域网的频段要求。

包络相关系数(ECC)和分集增益(DG)是用来评估天线阵元间的相关性的量[12]。一般来说,ECC值越低代表越高的分集增益,理想状态下分集增益的值为10 dB。利用式(7)来计算其值:

将实测和仿真得到的相关S参数值分别代入公式,计算ECC和DG结果如图14和图15所示。图中ECC在整个工作频带内仿真和实测结果小于0.03,相应的实测和仿真的DG值均高于9.8 dB。表明该微带阵列天线两阵元间具有较低的相关性。

该紧凑低耦合阵列天线与已有文献中的天线在结构的复杂度及性能方面的对比情况如表2所示。综合考虑到天线的隔离度和结构紧凑程度,文献[3,6,8,13]显示在降低耦合度性能上明显不及,对比发现文献[14]在隔离度的提高方面较为突出,但是天线结构的复杂度有待降低。同时本文所提出的天线在间距仅有0.050 2λ0时实现了较高的隔离度,结构简单,性能优良。

4 结论

采用一种2×1阵列形式的缺陷地结构来抑制微带阵列天线H面表面波耦合,该天线工作在5.8 GHz,整体尺寸为45 mm×55 mm×1.52 mm。采用构造带阻滤波器的方式对缺陷地结构单元进行特性分析,详细讨论了缺陷地结构不同加载形式和不同结构尺寸下天线频率特性的变化情况,对比分析了加载缺陷地结构前后天线S参数、远场辐射增益和地表面电流的分布特性。在分析论证的基础上,完成天线结构最佳尺寸的确立,仿真与实测结果表明,加载该缺陷地结构后,在保证天线匹配特性稳定的前提下,ECC值均小于0.03,实现了低耦合微带阵列天线的设计。

參考文献:

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