微带贴片天线去耦结构研究

李敏

（南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京210003）

天线相互之间的耦合对无线通信和各种探测系统的性能都有着一定的影响[1-5]，一般互耦会恶化收发隔离度、降低系统容量、引入扫描盲点等，从而影响到整个系统的性能。因此研究如何减小或者消除邻近天线之间的耦合问题有着非常实际的应用价值。

传统方式是采用正交辐射模式分析天线间的耦合[6]，这种分析方式隔离度可以达到20 dB到30 dB。最近文献[3]中提出利用场对消方法的间接去耦。基于场对消理论[7-14]的对称金属条带的去耦结构在-10 dB匹配带宽（80 MHz）下隔离度测量结果可以达到35 dB。

文中设计了一种含有对称T型金属条带的微带线去耦结构，此结构所产生的耦合场有相当一部分被束缚在条带与地平面之间，从而可以改善微带天线间的隔离度来实现去耦的目的，从而避免由于两天线之间靠的太近从而恶化收发隔离度，降低系统容量、引入扫描盲点以及影响系统的设计精度而产生相互干扰。电磁仿真软件仿真结果表明该结构比文献[3]提出的对称金属条带去耦结构在-10 dB带宽内隔离度提高了近6 dB，符合对称T型金属条带的微带线去耦结构的设计要求。

1 天线的去耦设计

文中的去耦合设计是在文献[3]所提结构基础上的一种改进设计，文献[3]所提去耦结构如图1，图2所示，在两个贴片天线之间设计了一个垂直放置的电路板，电路板的高度为10mm，电路板上设计为一种对称金属条带结构，如图2所示。如果电路板上全是金属贴片或者一部分金属贴片时，此时的去耦效果并不理想只能达到25 dB，如果电路挡板上只含有一个金属条带时它们的去耦效果同样不够理想也只能达到25 dB左右。因此这种结构的去耦高效性是金属墙和金属条带共同作用的效果。馈电方式是同轴线底部馈电。此结构具体尺寸如表1所示。

图1 金属条带型俯视图

图2 金属条带型中垂直电路板结构图

表1 金属条带型贴片天线尺寸

文献[3]提出该对称金属条带型结构测量结果表明在-10 dB匹配带宽（80 MHz）下隔离度可以达到35 dB，而且在保持高效的去耦的同时对天线的辐射方向具有一定矫正作用，且并不会影响两贴片天线未加去耦时的增益。

本文在上面所描述的对称金属条带的结构基础上设计出一个中心频率5.8 GHz，-10 dB带宽为80 MHz的对称T型金属条带结构，且在-10 dB匹配带宽内隔离度最低可以达到41 dB，且不能影响两贴片天线未加去耦时的方向图。

对称T型金属条带去耦结构的俯视图同图1所示的对称金属条带去耦结构的俯视图相同，馈电方式不变采取同轴馈电的方式，唯一不同点是在两贴片天线间的垂直电路板上的条带的形状不同，具体结构如图3所示。

图3 T型金属条带中电路板结构图

对称T型金属条带的微带天线去耦结构的细节如图1，图3所示。天线基板尺寸L0×W0=44.56mm×30mm，两贴片天线尺寸是Lp×Wp=13.05mm×13mm，两贴片天线间的中心间距dc=14.56mm，两贴片天线间的边到边的距离为1.5mm，其中天线的基板材料为R04003，厚度h=1.524mm，相对介电常数为3.55，中间垂直放置的电路板的材料和基板一样（RO4003），相对介电常数不变依然是3.55，具体结构如图3所示，其厚度Wm=0.508mm，宽度Lp=30mm，高度Hw=10mm。此结构的尺寸同对称金属条带型结构的尺寸几乎一致，改动并不很大。唯一不同在于“一”字条带改成了T型结构。

2 仿真结果及分析

利用电磁仿真软件HFSS建立对称T型金属条带的微带天线去耦结构的模型，且对此结构中的参数Ld，Hg，Hw，Lm，W，Wd，W0进行仿真优化，参数的优化结果如表2所示。

表2 T型金属条带型贴片天线尺寸

通过HFSS仿真结果所知该T型金属条带结构贴片天线的-10 dB带宽，两贴片天线之间的隔离度，辐射性能（方向图）都较好，符合设计的要求，尤其是在天线的匹配带宽内隔离度具有大幅度的提升。具体仿真结果曲线如图4所示。

图4 T型同金属条带型结构S11对比

由图4所示对称T型金属条带去耦结构和文献[3]提到的对称金属条带型去耦结构相比，这两种结构的S11曲线几乎重叠在一起。因此它们的S11值几乎相同，原因是我们只改变电路板上条带的结构并不会影响它们的S11曲线，且它们的-10 dB的带宽为80 MHz（5.76 GHz到5.84 GHz），其相对带宽为1.4%，略小于无去耦时的相对带宽，但符合该天线的工作要求。

图5是加入对称T型金属条带的去耦结构同对称金属条带型去耦结构，未加任何去耦结构时在天线的-10 dB带宽匹配的情况下隔离度的对比。

图5 T型同金属条带型结构S21对比

从图5的HFSS仿真结果可以看出，在中间加对称T型金属条带的结构效果比文献[3]中提到的对称金属条带隔离度提高了近6 dB。在天线的-10 dB匹配带宽下隔离度最低可以达到41.5 dB。同未加去耦结构相比，该结构在匹配带宽的情况下隔离度最低改善了近36.5 dB。因此这种结构对紧密摆放的两贴片天线之间的耦合具有很好的抑制作用。

一般来说两个贴片天线之间的间隔越小相互耦合越强，以上讨论的是二贴片天线间边到边的距离为1.5mm时的情况。下面我们看看两个贴片天线间的距离为2.5mm时的变化情况。具体结构参数以及通过HFSS仿真软件优化获得的T型金属条带的尺寸如表3所示。

表3 对称金属条带型贴片天线的尺寸

图6是此结构中两贴片天线之间的边到边距离为2.5mm时增加了对称T型金属条带去耦结构后的S21数据，图中虚线一个是未加任何去耦结构时的S21数据，另一个是两贴片天线之间的边到边为1.5mm时增加了对称T型金属条带去耦结构后的S21数据，这3种情况的具体对比数据曲线如图6所示。

图6 贴片之间不同距离仿真对比图

从图6的HFSS仿真结果可知，当两贴片之间的边到边距离为2.5mm时，该结构的天线在-10 dB匹配带宽（5.76 GHz到5.84 GHz）下隔离度可以达到38 dB。同两贴片间的边到边距离为1.5mm相比，它的去耦效果有所降低，降低了近2.5 dB，影响不大。因此，这种去耦结构是可以适用在两贴片间的任何距离的情况。

图7是加入对称T型金属条带结构同未加入任何去耦结构时的天线辐射E面方向图[15-16]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，实线是加入对称T型金属条带时的数据曲线，具体对比结果如图7所示。

图7 天线A1在5.8 GHz处E面方向图

图8是加入对称T型金属条带结构同未加入任何去耦结构时的天线辐射H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，实线是加入对称T型金属条带时的数据曲线，具体对比结果如8图所示。

图8 天线A1在5.8 GHz处H面方向图

由图7可知加了对称T型金属条带去耦结构后的E面的最大方向在0°，H面的最大方向向左偏移了20°，而未加去耦结构时，天线E面的最大方向在0°，H面的最大方向因为耦合的影响向右偏移了30°。因此，去耦结构对天线的辐射方向图也有一定的改善作用尤其还改善了天线H面方向图在-30°到30°范围内的增益的平坦度。且天线增益保持为4.7 dBi。

3 结论

针对紧密放置微带天线间存在强互耦以及进一步提高天线间的隔离度问题，设计了基于场对消方法的对称T型条带的去耦结构。该方法的机理是利用不同的条带结构所产生的附加耦合来解决互耦，进一步提高紧密放置微带天线间的隔离度。由HFSS仿真可知这种结构的天线带宽，隔离度都符合要求，同时还能对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。

参考文献:

[1]Hwang J N，Chung S J.Isolation enhancement between two packed antennas with coupling element[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011（10）:1263-1266.

[2]Lai X Z，Xie Z M，Xie Q Q，et al.A dual circularly polarized RFID reader antenna with wideband isolation[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013（12）:1630-1633.

[3]齐宏业.天线互耦表征及去耦方法的研究[D].南京：东南大学，2016.

[4]Niroo-Jazi M，Denidni T A，Chaharmir M R，et al.A hybrid isolator to reduce electromagnetic interactions between Tx/Rx antennas[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014（13）:75-78.

[5]Cihangir A，Ferrero F，Jacquemod G，et al.Neutralized coupling elements for MIMO operation in 4G mobile terminals[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014（13）:141-144.

[6]Li S，Yin X，Wang L，et al.Time-domain characterization ofshort-pulse networks and antennas using signal space method[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（4）:1862-1871.

[7]Su S W，Lee C T.Printed two monopole-antenna system with a decoupling neutralization line for 2.4-GHz MIMO applications[J].Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（9）:2037-2043.

[8]Wang K，Eibert T F.A decoupling technique based on partially extended ground plane for compact two-port printed monopole antenna arrays[C]//German Microwave Conference（GeMIC），2014：1-3.

[9]Chen Z N，See T S P，Qing X.Cross-band mutual coupling of monopole antennas on a finite-sized ground plane[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61（8）:4372-4375.

[10]Shen J，Xu Z，Zheng T.Design and mutual coupling analysis on wideband wide-angle scan step-constant tapered slot antenna array[C]//IEEE InternationalConference on Ultra-Wideband（ICUWB），2010：1-4.

[11]Farsi S，Aliakbarian H，Schreurs D，et al.Mutual coupling reduction between planar antennas by using a simple microstrip U-section[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012（11）:1501-1503.

[12]Arun H，Sarma A K，Kanagasabai M，et al.Deployment of modified serpentine structure for mutual coupling reduction in MIMO antennas[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014（13）:277-280.

[13]姚頡.移动终端天线的去耦合技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2014.

[14]饶佳人.阵列天线互耦特性研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[15]Kim S，Lee S，Kwon K，et al.Miniaturized and high-isolation diversity antenna for WBAN applications[C]// International Symposium on Antennas and Propagation（ISAP），2012：979-982.

[16]Guo Q，Mittra R，Lei Fang，et al.Interaction between internal antenna and external antenna of mobile phone and hand effect[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61（2）:862-870.