一种H型缝隙和L型探针耦合双极化微带天线的设计

丁卫平 罗 康 丁 康 石树杰

（1.解放军理工大学通信工程学院光电技术教研中心，江苏 南京210007；2.解放军理工大学通信工程学院研究生2队，江苏 南京210007；3.解放军理工大学通信工程学院研究生1队，江苏 南京210007）

引 言

双极化天线的提出最初是用来为一个频带提供两条通信通道，但随着通信事业的发展，双极化天线应用越来越广泛，如频率复用、收发一体化、极化分集等［1］.双极化天线有很强的抗干扰性，能接收电磁波中的全部极化信息、提高系统灵敏度、构成变极化系统.然而，实现高隔离度一直是双极化天线的瓶颈［2］，如果两端口之间的隔离度较差，输入信号将不会被天线完全地辐射出去，而是部分地通过另一端口直接返回.已有不少文献提出了改进方法，比如L型探针［2-3］和H型缝隙耦合馈电技术［4-8］.采用两个L型探针馈电，可以很容易地实现双极化，文献［2］用L型探针耦合馈电，获得了23.8%的输入阻抗带宽和-30dB的隔离度.文献［7］采用缝隙耦合馈电，获得了14%的阻抗带宽和高隔离度.只要能抑制两端口的交叉极化，就能提高隔离度.当天线由两个幅度相等、相位相差180°的信号激励时，可以抑制其高次模的产生，采用两个混合输入结构，可进一步提高端口的隔离度［9］.由于高次模、寄生辐射及色散特性的影响，微带天线的隔离度一般只有10～20dB，采用厚的介质板或介电常数低的介质板来降低天线的品质因数，是展宽天线带宽的常用方法.

文章采用一个圆形贴片作为双极化的辐射单元，两个端口分别采用L型探针和H型缝隙耦合馈电.耦合馈电和常规的直接馈电方式相比，能够在一定程度上改善天线的隔离度.贴片两侧对称放置的探针，还可以抑制一些不需要的高次模.而H型缝隙有很高的谐振电阻和很大的耦合量，可以采用很小的H型缝隙耦合馈电，进而减小背向辐射［10］，提高增益.值得指出的是，尽管天线结构简单、地板较小（80mm×80mm），交叉极化、增益等参数仍优于文献［9］，端口间的隔离度在整个阻抗带宽内低于-32dB.由于两端口的中心频率都在2.4GHz附近，非常适合运用于WLAN和无线基站.

1 天线设计

圆形双极化微带天线结构如图1所示.天线的馈电网络和输入端口印刷在底层介质板的底面，底层介质板的上面是带有H型缝隙的地板，圆形贴片印刷在上层介质板的下面.上、下层介质板采用相同的材料（相对介质损耗tanδ＝0.001，相对介电常数ε1＝2.2，厚度h1＝1mm），L型探针（水平长度t＝24.5mm，垂直高度h＝3mm）沿y轴对称放置于贴片两侧，这种方式增加了天线和地板之间的高度，从而降低天线的Q值.圆形贴片初始半径r由以下公式给出：

图1 天线正面和侧面结构图（mm）

当工作频率较高（大于2GHz）时，需考虑基板厚度的影响，其等效半径为

式中：c为光速；fr为谐振频率；ε1为基板相对介电常数.

一端口由50Ω矩形微带线通过H型缝隙耦合馈电，二端口由威尔金森功分器产生的幅度相等、相位相差180°的信号通过两个L型探针耦合馈电.L型探针耦合馈电结构可方便地得到介电常数为1的空气层，在探针和天线金属片之间引入更大的容抗，补偿探针本身带来的高感抗.差分馈电可抑制天线在E面上的交叉极化，由威尔金森功分器和半波长微带线产生的幅度相等、相位相反的信号分别连接两个L型探针.

2 天线仿真与测试结果

在仿真的基础上加工制作了双极化天线样品，天线实物如图2所示.利用安捷伦N5230C矢量网络分析仪测试天线的回波损耗，在微波暗室测试了其远场辐射特性，实测结果总体趋势与仿真曲线吻合较好.天线回波损耗和端口隔离度的仿真与实测曲线如图3所示，两个端口的中心频率分别为2.43 GHz、2.55GHz，相对带宽分别为26.7%、30%，优于传统的同轴馈电或侧馈的单层微带天线，这是由于H型缝隙和L型探针分别相当于另一谐振器与贴片一起谐振，其谐振频率稍有差异构成双点谐振，展宽了频带.天线的谐振频率发生偏移可能是由加工误差以及介电常数偏差引起的.在整个阻抗带宽内，端口隔离度高于32dB，这是由于采用了两个混合输入结构，并且正交放置.造成测试频带范围内隔离度抖动的原因可能是：介质板的色散效应过于明显，介质板的参数随频率的变化而产生轻微波动，辐射贴片层介质板与馈电网络层的色散效应相叠加进一步加剧这一抖动.

图2 天线实物图

图3 天线s参数的仿真和测试曲线

两个端口实测天线增益在2.1GHz到2.8 GHz频带范围内都高于5.68dBi（见图4），最大增益分别为8.68dBi、8.26dBi，-3dB增益带宽为29%，这主要得益于天线较高的前后比：一端口9 dB，二端口15dB，实测与仿真结果存在的差异可能是由加工精度、材料误差、测试环境等因素造成的.

图4 天线增益仿真和测试曲线

图5 天线仿真和测试方向图

天线在2.4GHz时的方向图如图5所示，天线在较宽的波瓣宽度内获得了低交叉极化.一端口在E面和H面的交叉极化分别为-27dB、-31dB，二端口在E和H面的交叉极化分别为-21dB、-29dB.测试交叉极化都高于仿真结果，这主要是由于仿真时假设地面无限大，而测试时地面较小，另外，天线的地板较小，馈线离地板边缘较近，有一定的电磁绕射效应，所以导致方向图前瓣和后瓣的偏差以及交叉极化电平的抬高.二端口的主极化方向图测试与仿真结果优于一端口，这是由于与L型探针耦合馈电相比，缝隙馈电会产生较大的背向辐射，同时，二端口采用差分馈电，抑制了天线在E面上的交叉极化.两个端口在H面的交叉极化都优于E面，主要是由于馈电结构不对称：一端口H型缝隙向-x方向有0.45mm的偏移量；二端口馈线向-x方向偏移25mm（产生180°相移），这一影响也反应在天线的辐射方向图上.

3 结 论

文章采用两种不同的馈电方式，设计了一种宽带、低交叉极化、高隔离度的双极化微带天线结构.采用L型探针耦合馈电结构可以补偿探针本身带来的高感抗，增加天线和地板之间的高度，从而降低天线的Q值，展宽带宽；利用很小的H型缝隙耦合馈电，获得了较大的耦合量，进而减小了背向辐射.天线结构简单，设计频率为2.4GHz，非常适合运用于WLAN和无线基站，也可进一步研究其圆极化天线和阵列天线的性能.

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