一种复合结构在天线耦合技术中的研究*

赵 雪，夏晨蹊，杨 晨

（贵州大学 大数据信息工程学院，贵州 贵阳 550025）

0 引 言

在通信技术飞速发展的今天，移动通信设备已经成为与人类生活密不可分的重要组成部分。为了适应更加高效的工作与生活节奏，便携电子设备为此集成了越来越多的功能。其中，通信功能是此类设备最基本也是最重要的部分，包括NFC、Bluetooth、GSM和4G等[1]。

为了实现移动通信设备的多功能性，天线是不可或缺的重要一环。但是，根据移动通信所涉及的领域不同，所需的天线结构也需要进行与之匹配的设计。例如，阵列天线适用于雷达界面散射，喇叭天线可用于定向单角度入射电磁信号。本文从宽带通信信系统入手，研究复合结构中天线耦合的增强与多频段所需的条件关系。

电磁信号之所以能被传输和接收，最基本的原理就是天线的耦合。通过调整天线的复合结构，可以适当增强天线耦合的强度，使天线适用于不同的工作环境[2]。

但是，随着移动终端设备的微型化与多功能性，在电子设备体积相对减少的同时，需铺设更多天线以增添谐振频段来满足功能的拓展。如此会导致天线在接收外部谐振的同时，其内部也存在因为自身谐振造成互扰的非理想耦合现象，以致产生信号间的干扰与能量损耗，通常将这一类耦合称之为弊耦合。所以，本文针对以上问题，设计了一种以MIMO（Multiple Input Multiple Output）为基础的天线，通过结构设计重构、优化，使其在移动通信频段（GPS/GSM1800/LTE2300/WLAN）有着良好的工作效率，且能够大大降低移动设备终端内部的弊耦合现象[3]。

1 天线耦合的概念及其分析方法

1.1 耦合基本概念

电磁耦合的根本现象：当空间中存在两个或者两个以上的天线时，其中某一天线受到来自自身或外界高频信号的激励向空间辐射电磁能量，周围在同一谐振频率的天线会因此耦合同频的电磁能量，同时向周边辐射，如图1所示。

图1 天线耦合关系

从图1可以看出，若给予移动终端1一个来自内部的激励，其天线会向空间辐射电磁能量信号。同时，有着相同谐振频率的移动终端2与移动终端3，会因为耦合效应各自生成与自身匹配的电磁能量，并向外部辐射自身的电磁能量。

这一过程中，移动终端之间的感应是通过耦合技术基础实现的，且通常将这类能被人们利用的耦合效果称为利耦合。但是，移动终端间因耦合而产生感应的同时，终端内部因为天线的宽频带等原因会产生一种干扰的耦合，而这种耦合会导致信号的稳定性降低、频率偏移等诸多不利后果，因此此类耦合也被称为弊耦合。本文的目的是通过设计天线的复合结构，保存天线利耦合的同时，尽力消除其中的弊耦合[4]。通过查阅相关文献，了解到分析此类天线耦合问题最常用的方法为散射矩阵法，其适用软件是以有限元分析算法为基础的HFSS。

1.2 散射矩阵法即S参数分析法

在微波网络构建完成后，通过对入射波与反射波强度参数分析，可以得出该参数的耦合特性[5]。为了研究耦合特性，可以通过散射矩阵示意。散射矩阵示意图如图2所示。

图2 散射矩阵

将入射条件定义为ai，反射条件定位为bi，则归一化入射波与反射波之间的关系式成立如下：

S为参数分析法中归一化二端口网络的散射矩阵。但是，在传统天线S参数分析法中，通常将S11与S22分别视为T1端口与T2端口的归一化回波损耗，通过分析得出相应天线内部的响应特性。因此，天线的耦合与响应特性分析的最明确方法是从S参数入手。

本文以单极子天线为例，通过在HFSS模拟环境中为天线增添补偿结构或构造缺陷部分，计算仿真得出结果，从而进一步讨论分析存在补偿结构和部分缺陷的复合操作情况下，天线内部的耦合现象[6]。

2 模拟分析方法

2.1 基础天线

首先，模拟分析了一种当下应用比较广泛的单极子天线的复合衍生结构，如图3所示，并将其命名为Ⅰ型天线。

图3 Ⅰ型天线结构

通过HFSS软件仿真，可测得此天线S参数，如图4所示。

图4 Ⅰ型天线S11参数

根据图4中数据，结合回波损耗计算式，可计算天线性能参数电压驻波比，其中回波耗损为：

式中RL即回波损耗（Return Loss），S11为HFSS软件所得参数，k为系统反射系数。另外，根据式（5）计算反射系数k，然后根据式（6）：

计算在该频段范围内的最大电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio）VSWR=1.28，能满足正常工作所需；S11＜-10 dB的部分落WiFi入频段内，满足日常所需基本应用[7]。同时，参照相对带宽公式为：

式中fH和fL分别为S11＜-10 dB的最高频率与最低频率，求得ffoc=15%属于宽带通信。

2.2 一阶结构设计

天线频率响应频段的单一性意味着设备功能的单一性。若需要让天线适应更多的应用场合，必须对其结构进行优化设计。

为此，本文提出第一种适应方案——缺陷结构。在呈现设计的天线前统一规定，当单极子天线正面向上时，令左侧端口为端口1，右端口命名端口2。缺陷结构如图5所示，并将其命名为Ⅱ型a类天线。

图5 Ⅱ型a类天线结构

通过将标注部分进行结构缺陷进行HFSS模拟仿真，可以得出其S参数。同Ⅰ型结构对比S11与频率关系如图6所示。

图6 S11参数对比

可以看出，不仅Ⅰ型结构落入WiFi频段的可耦合部分得以保存，还出现了新的可耦合频段。因此可以得出假设，以Ⅰ型结构为基础的天线，适当缺陷部分结构，会令其在更多的频段产生可耦合的特性。虽然采用结构缺陷的方法可令天线形成新的可耦合频段，但若对原天线结构进行补偿，又会得出另一种结果，如图7所示。

图7 Ⅱ型b类结构

对Ⅰ型天线采用结构补偿的方法，图中标注部分即为补偿结构，并将其定义为Ⅱ型b类。在HFSS软件模拟构建此结构，设置边界条件后进行求解仿真，得到S参数，对比结果如图8所示。

图8 S11参数对比

对比于Ⅰ型天线S参数结果（虚线部分）可以看出，因为原有的耦合频段存在以上补偿结构使得Ⅰ型天线的响应被明显放大，所以，又可得出一种假设，即适当增添天线补偿部分也可以从另一角度拓展天线的性能。

2.3 复合结构设计

上述是对基础天线采用一次结构设计的结果。综合以上，如果合理将部分缺陷和增添补偿的方法融合应用于天线，经过重新优化，复合天线就会在原天线的基础上，汲取二者的性能优势，这便是天线复合结构设计的基础。在提出这一概念后，本文将Ⅱ型a类缺陷与Ⅱ型b类补偿融合作用于Ⅰ型天线，得到Ⅲ型天线，模拟结构如图9所示。

通过对Ⅲ型天线进行参数仿真，得到结果与Ⅰ型天线的对比，如图10所示。

图10虚线部分为Ⅰ型原天线S参数响应结果。可以看出，在Ⅰ型基础上，采用部分缺陷以及结构补偿的复合设计后，Ⅲ型天线在维持原有Ⅰ型天线的基础性能不变的情况下，结合了Ⅱ型天线多频段与强耦合的优势。可见，适当设计复合结构并优化，对天线耦合结果有着重要影响。

图9 Ⅲ型天线结构

图10 S11参数对比

采用与Ⅰ型天线同样的分析方法，可以分别求得 VSWRw1=1.27，VSWRw2=1.03。 其 中，w1、w2分别表示Ⅲ型天线的低频段与高频段部分。从结果分析，Ⅲ型天线在以上两频段范围内皆满足系统条件。根据式（7）计算其相对带宽分别为ffocw1=17%、ffocw2=8.5%，且都属于宽频段范围。

2.4 电流分析

天线产生耦合效应的根本原因是贴片天线表面电流的运动。通过HFSS软件可便捷地模拟出天线贴片表面的等效电流，因此可以利用HFSS得到以上4种天线模拟电流分布，如图11所示。

图11 天线表面电流

图11 中Ⅰ型天线是未经任何处理的基础天线。可以看出，由于它的单极子结构部分的感应电流过强，因此在相同能量的情况下，I型天线更多地将其转化为电流的热耗而溢散。另外，在未做任何结构优化的情况下，端口1近端也会存在电磁溢散现象，以致于出现I型天线低频段耦合较弱的现象。

天线的辐射效率为：

式中，pt为天线的辐射功率，pr热溢散功率，PA为入射总功率。

当天线的输入功率PA一定时，贴片天线中的电流越大，热损溢散现象越严重。结合图11（a）以及图5、图7更能清楚对比得出这一结论。

当Ⅰ型天线以缺陷部分为基础重新设计，如Ⅱ型a类所示，电流强度分布如图11（b）所示，可以明显看出端口1处的溢散电流减少。因此，天线能保存更多的能量用于辐射耦合，最终表象是拓展了低频段处的耦合强度。

将Ⅰ型天线重新设计后为Ⅱ型b类，贴片电流强度图如图11（c）所示。结合图8可知，天线部分频段的辐射能力被增强，此结果与散射矩阵法测算相符合。

最后，将Ⅱ型天线a类、b类的部分缺陷与结构补偿方法相融合构成复合天线。从电流感应图中可以看出，单极子天线的热溢散电流削弱，辐射能量得以保存，是天线具有强耦合性的基础。

3 数据实测

将HFSS软件中构造的4种天线以CAD格式数据形式导出，并用CAD软件将其重新标注进行实物加工。所有模拟天线实物如图12所示。

图12 天线实物模型

将矢量网络分析仪器分别激励源和接收源置与天线两端连接，并以0～3 GHz频率对其进行扫描检测。将4种天线实测数据优化后列出结果，如图13所示。

图13 四种天线S11参数图

通过对图13中结果对比分析可以得出，四种天线的实测数据与模拟环境中基本吻合，即理论结论适用。另外，若对其结构参数进行相应的调整，可令响应频率向应用所需方向进行偏移。最后，综合四种天线电压驻波比与相对带宽数据如表1所示。

表1 天线电压驻波比与相对带宽

通过对比三种不同的重构设计，可以看出其各自优势。Ⅱ型b类因其有着强可耦合特性，能够在弱信号地区如高层建筑、偏远山林，地穴峡谷等地发挥其独有的特性。而经过复合结构设计的Ⅲ型天线，可以更好地配备于多功能通信设备中。

4 结 语

在高频回路中，天线的结构往往决定其特性。如果对基础的天线结构采用部分缺陷或者补偿的的方法进行微调整，可以使天线耦合的能力和效率得到很大改善。同时，若将类似Ⅱ型天线的两种或者以上设计理念相融合，构成复合结构天线，能令天线集成更多的可耦合特性，从而丰富其应用功能。