双极化高隔离度孔径耦合天线研究

张海力，刘太君，何元峰，郭 嘉，谢光忠

(1.宁波大学信息科学与工程学院，浙江 宁波 315210；2.浙江纺织服装职业技术学院物联网应用技术研究院，浙江 宁波 315211；3.电子科技大学光电科学与工程学院，四川 成都 610054)

双极化天线能够很好地实现极化分集和极化复用，改善无线通信质量和站址选择难度，在通信基站天线的设计中获得了广泛的应用[1].为了实现双极化，人们应用和研究了多种类型的天线，如偶极子天线、基片集成波导天线、缝隙天线、微带天线等[2-4].其中，微带天线以其低剖面、易加工和馈电形式多样等特点在国内外获得了深入的研究[5-6].作为微带天线的一种，孔径耦合天线相互垂直的缝隙能够激起正交极化波，提高端口间的隔离度，是双极化高隔离度天线常用的结构形式，也是研究最为深入的双极化高隔离度天线[7].为获得较高隔离度，许多研究聚焦于馈电方式和网络布置，文献[8]和[9]采用孔径耦合馈电与其他方式混合馈电，能够明显提高隔离度，但天线设计复杂，批量生产存在一定难度；文献[10]采用错位倒相技术有效抑制交叉极化电平，同时提高隔离度.更多的双极化孔径耦合天线是应用角馈和H形缝隙实现高隔离度设计[11-13].

孔径耦合天线结构参数比较多，相对于探针馈电的微带天线，能够获得宽的阻抗带宽，但其设计需要多参数的联合优化，增加设计的复杂度[14].已发表的文献在阐述设计过程时，都只是给出缝隙形状和不同层的布局，没有明晰的参考设计，相同的结构优化结果差异较大.特别是对于双极化天线，缝隙尺寸不仅影响带宽，还直接影响隔离度，整体优化难度更大.都只是给出缝隙形状和不同层的布局，没有明晰的参考设计，相同的结构优化结果差异较大.特别是对于双极化天线，缝隙尺寸不仅影响带宽，还直接影响隔离度，整体优化难度更大.能够快速设计，并获得优良带宽和隔离度的孔径耦合微带天线的设计方法，当前文献中还没有看到.

本文提出的基于馈电网络谐振技术的双极化孔径耦合天线设计方法，通过分步设计，结合全波分析技术能够快速设计双极化高隔离度孔径耦合天线.该方法首先确定缝隙尺寸和位置，然后调试辐射贴片即可完成设计，提供一种准定量的双极化高隔离度孔径耦合天线设计方法.2.4 GHz天线仿真和实测，隔离度大于40 dB，满足当前移动通信基站指标要求.

1 分析与设计

孔径耦合天线的典型结构如图1所示，基片底部是一印刷微带线，上面是一个接地面，接地面上开槽形成微带天线的馈电网络，在接地面上部放置一个泡沫或介质材料以支撑最上面的辐射贴片和改善天线的辐射特性.图2是传输线模型理论的等效电路，由于微带线和缝隙之间，以及缝隙和贴片之间是靠场的耦合工作的，所以它们之间的等效电路用理想变压器来等效.综合后的输入阻抗如下式[15]:

图1 孔径耦合天线结构Fig.1 Configuration of the aperture coupled antenna.

其中，n1和n2为耦合转换比，Ypatch是贴片导纳，Yap是缝隙导纳，Ls是开路线长度.从式1可以看出，天线输入阻抗与耦合转换比有关，而n1和n2与缝隙的尺寸和位置相关且敏感.所以说孔径耦合微带天线的设计其实就是缝隙尺寸和位置的设计，式1和其他全波分析方法不能够给出初步的缝隙尺寸，设计过程只能是多参数的联合优化，增加设计的难度和不确定度，即同样的结构，优化出来结果差别很大.本文用馈电网络谐振技术解决缝隙尺寸和位置优化的难题，实现快速优化，快速完成天线设计.

孔径耦合微带天线的输入端口为50 Ω微带开路短截线，考虑到天线的极化纯度和前后比，孔径耦合天线的缝隙要求是非谐振缝，为提高隔离度，双极化天线用H型缝隙.非谐振缝能够提高前后比，但完全不谐振难以获得足够的耦合能量，辐射贴片就不能够实现良好谐振.

图3为天线仿真结构图，两个馈电网络从辐射贴片的对角线进行馈电，垂直放置.基底板材介电常数为4.4，板厚为1.6 mm；辐射贴片为单面覆铜板，下部支撑板材介电常数4.4，板厚0.8 mm；微带线开路端离辐射贴片中心距离为L，辐射贴片上表面离地的距离为h，其它尺寸如图所示.图4为没有辐射贴片时馈电网络的回波损耗仿真曲线，从图可以看出，馈电网络在2.2～3.0 GHz之间处于微谐振状态，2.5 GHz处回波损耗1.42 dB，随着频率增加，馈电网络在4.4 GHz重新谐振，回波损耗1.15 dB.

图3 天线结构图Fig.3 Simulated configuration of the aperture coupled antenna.

图4 馈电网络回波损耗仿真曲线Fig.4 simulated return loss of the feed network for port1

基于图3所示天线结构，不改变天线馈电网络，只修改天线辐射贴片尺寸和位置得到的仿真结果如图5所示，图6为天线端口1的缝隙周围面电流分布图，端口2的缝隙周围面电流分布与端口1的分布相同.辐射贴片尺寸为45 mm时，天线工作在2.58 GHz，位于馈电网络第一谐振点的右侧，端口1电流分布在自身缝隙周围，在端口2处基本没有电流分布，端口间互耦较小，整个频带内隔离度在-46 dB以下.辐射贴片为47 mm时，天线工作在2.43 GHz，位于馈电网络第一谐振点中心频率左侧，两端口之间出现耦合，但还是位于强谐振区域，能够获得高隔离度，整个频段内隔离度在-40 dB以下.辐射贴片尺寸为49 mm时，谐振频率为2.28 GHz，逐渐偏离馈电网络第一谐振点的左边，辐射贴片获得的耦合能量能够让天线谐振，但端口间的耦合量明显增加，隔离度逐渐减小.在辐射贴片尺寸为51 mm时，天线谐振减弱，端口间耦合较大，隔离度变差.

根据图5和图6仿真结果分析，孔径耦合天线的谐振点位于馈电网络的第一谐振点及更高频率，双极化天线能够获得高的隔离度.如果辐射贴片的谐振频率低于第一谐振点，随着辐射贴片主模尺寸偏离馈电网络的微谐振区域，非加载Q值升高，带宽逐渐变窄，偏离过远，主模基本不再谐振，端口间耦合量逐渐增大，隔离度变差.综合而言，孔径耦合天线谐振频率位于馈电网络两个谐振点之间，可以获得高隔离度.

图5 回波损耗和隔离度仿真曲线a:W＝45 mm，h＝2.5 mm，l＝13.6 mm；b:W＝47 mm，h＝2.2 mm，l＝13.8 mm；c:W＝49 mm，h＝2 mm，l＝12.3 mm；d:W＝51 mm，h＝2.1 mm，l＝10 mmFig.5 Simulated return loss and isolation port1(the same for port2)

图6 端口1的缝隙面电流分布图a:W＝45 mm；b:W＝47 mm；c:W＝49 mm；d:W＝51 mmFig.6 surface current distribution for port1

图7为1端口H面辐射方向图(2端口曲线与1端口一致).如图所示，辐射贴片尺寸从45 mm到51 mm，随着天线谐振频率逐渐靠近馈电网络第一谐振频率，天线的后瓣由差变好，然后天线谐振频率远离馈电网络第一谐振频率，天线后瓣再次变差.即天线谐振频率位于馈电网络第一谐振频率时，能够获得最优的前后比.

图7 端口1H面辐射方向图.a:W＝45 mm；b:W＝47 mm；c:W＝49 mm；d:W＝51 mmFig.7 Simulated H-plane radiation patterns for port1

综合孔径耦合天线隔离度、端口互耦和天线前后比等数值分析，天线谐振频率位于馈电网络第一谐振点能够获得最好的双极化性能.也就是说，微谐振确定馈电网络的尺寸，主模谐振获得良好的端口隔离度，二者配合能够快速准确的设计双极化高隔离度孔径耦合天线.

2 天线设计和测试

应用前面所述设计方法设计的孔径耦合天线如图8所示，基板为FR4，板厚1.6 mm，介电常数为4.4.辐射贴片用0.8 mm厚的FR4单面板，贴片尺寸为46 mm，经过调整后辐射贴片与接地面之间的高度为4.2 mm.

图8 天线结构图和实物照片Fig.8 dimensions of antenna and photo

图9中实线为馈电网络仿真曲线，2.4 GHz频点的回波损耗1.8 dB，处于微谐振状态；虚线为实际测试曲线，最低谐振频率位于2 GHz，回波损耗2 dB，与回波损耗仿真曲线相比，谐振有所加强，谐振频率基本一致.

图9 馈电网络回波损耗仿真和测试曲线Fig.9 Return loss of the feed network for port1

图10为双极化孔径耦合天线隔离度和回波损耗仿真曲线，其中实线为两个端口的回波损耗，两个端口间一致性较好，虚线为隔离度，在2.4 GHz到2.5 GHz频段内，隔离度都位于-30 dB以下.图11为双极化孔径耦合天线隔离度和回波损耗测试曲线，在2.4 GHz到2.5 GHz频段内两端口回波损耗有较好的一致性.在2.4 GHz到2.5 GHz频段内隔离度在-35 dB以下，最低处达到-45 dB.对比图10和图11可知，仿真曲线和测试曲线具有较高的一致性，特别是隔离度曲线，变化趋势一致，性能更好.由此可见，应用馈电网络微谐振分析方法，可以快速设计高隔离度双极化孔径耦合天线，满足单独应用和组阵需要.设计中发现天线隔离度对辐射贴片的高度和位置比较敏感，通常隔离度在30 dB左右，回波损耗对贴片高度和位置敏感度较低，受端口间彼此影响，双极化时天线带宽较单极化带宽窄.

图10 双极化孔径耦合天线隔离度和回波损耗仿真曲线Fig.10 Simulated return loss and isolation port1

图11 双极化孔径耦合天线隔离度和回波损耗测试曲线Fig.11 measured return loss and isolation between port1 and port2

3 总结

孔径耦合天线的多参数调谐增加设计难度，辐射贴片边缘畸变电流更是增加双极化天线端口隔离度设计的难度.本文从理论分析和实验两个角度验证了馈电网络微谐振技术能够快速设计出高隔离度的双极化孔径耦合天线，解决当前双极化高隔离度天线设计难题.本论应用微谐振方法设计了工作于2.4 GHz～2.5 GHz频段的双极化天线，两端口间隔离度整体低于-35 dB，完全满足单独应用和组阵要求.