高隔離度雙極化孔徑耦合天線設(shè)計

當(dāng)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(shí)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(fù)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(shí)現(xiàn)雙工操作。當(dāng)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(yùn)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(shí)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(dá)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(dá)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(shí)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(qiáng)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(dāng)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(diǎn)。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(shí)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)行仿真，以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)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(dá)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(dá)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(shí)測結(jié)果沒有仿真結(jié)果理想，但仍能吻合較好，達(dá)到較高要求。

通過實(shí)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(shí)測是在基本滿足回波損耗的條件下進(jìn)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(jìn)行研究，當(dāng)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(shí)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(shí)測天線端口隔離度見表2.