用于5.8 GHz频段的低互耦圆形微带阵列天线

司晴晴，曾庆生，石 源，张言东

(南京航空航天大学 航天学院，南京 210016)

0 引 言

随着移动无线通信技术的不断发展，传统的单输入单输出(Single-Input Single-Output, SISO)技术已不能满足通信系统和众多用户的应用需求。近年来，多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技术受到越来越多研究者的关注。大多数MIMO天线系统是由两个或两个以上天线单元组成的三维结构[1-2]。微带贴片天线具有体积小、重量轻、剖面低、制作简单等优势，在MIMO天线系统中得到广泛应用。

在不牺牲额外频谱或功率的情况下，MIMO技术可以扩展信道容量并提高数据传输速率[3]。然而，在越来越多以飞行器为载体的雷达和通信设备中，天线系统的小型化引起了阵元间严重的互耦和强烈的相关性，从而影响天线的方向图、增益、工作带宽等辐射性能[4]。因此，在5G微基站天线系统、星载相控阵天线以及其他一些MIMO无线通信系统中，减小耦合是一个亟待解决的问题[5]。

为了减小电磁干扰和辐射单元间的互耦，大多数去耦技术采用在阵元间加载去耦结构，例如LC电路[6-7]、耦合谐振器电路[8-9]、传输线电路[10-11]、寄生散射元件[12-14]、中和线[15-16]、分裂环[17]、去耦匹配网络(Decoupling and Matching Networks, DMN)[18]等。一些由四个单元组成的阵列天线采用将各单元正交放置的措施以增强隔离度[19-22]。文献[23]设计了一种不需要加载去耦结构的新型自去耦天线，通过平衡天线单元间的电感耦合和电容耦合，使得互耦降低20 dB以上，但该天线的尺寸比较大。

电磁带隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)结构具有频率带隙特性，能抑制表面波传播，将其引入到阵列天线中能有效降低阵元间的互耦，提高天线增益[24-28]。文献[24]分析了一种经典的三维蘑菇状EBG结构，但两个阵元间引入的这种经典EBG数量太多，不便于制作和加工。除此以外，缺陷地结构(Defected Ground Structure, DGS)也是一种常用的去耦结构，文献[29-31]分别使用了新型分形DGS、S型周期性DGS和锯齿状DGS，实现去耦合的目的。

上述都是基于单一去耦方法的研究进展。近年来，不少学者提出将不同的去耦方法相互结合，从而达到更好的去耦效果[4, 25, 32]。

为了有效降低阵元间互耦，改善天线系统的辐射性能，本文设计了一种工作在5.725～5.85 GHz频带的去耦合圆形微带贴片阵列天线。通过采用类E型EBG结构和弧形缝隙DGS两种去耦结构结合的方式，最终阵列天线在工作频段内的互耦降低45.4 dB，包络相关系数(Envelope Correlation Coefficient, ECC)小于0.001，而且具有稳定的方向图。考虑工程可行性，所设计的去耦天线体积较小，结构简单，去耦结构易于设计，具有较好的工程应用价值。

1 天线设计与分析

1.1 参考阵列天线设计

根据文献[33]，具有相同工作频率的圆形贴片天线和矩形贴片天线相比，前者的面积更小，因此圆形贴片天线作为阵列单元有利于天线的小型化。未引入去耦结构的参考阵列天线结构，如图1所示。圆形微带贴片天线单元印刷在长L=50 mm、宽w=25 mm、高h=2 mm、损耗角正切为0.02、相对介电常数为4.4的FR4介质基板上。

图1 参考阵列天线示意图Fig.1 Schematic diagram of reference array antenna

圆形贴阵元的半径为

(1)

根据式(1)[33]，结合软件仿真优化可得，工作在5.8 GHz的每个圆形贴片阵元的半径为R=6.74 mm。两个圆形贴片天线单元均采用同轴探针进行馈电，馈电点与圆形贴片中心之间的距离S=2.34 mm。两个贴片之间的最短距离d=10 mm (即0.19λ,λ为工作波长)。

1.2 加载EBG结构的阵列天线设计与分析

从光子带隙(Photonic Band Gap, PBG)演进而来的EBG，大多数由金属或介质与金属的混合结构组成[28]。二维和三维的EBG结构都是一种特殊的高阻抗表面，在其频率带隙内无法传播任何表面波。因此，通常在阵列天线中引入周期性排列的EBG结构，在其产生的频率带隙内降低阵元间的相关性和互耦，提高隔离度[26]。

参考天线阵元选用圆形微带贴片天线，设计了一种由类E型金属贴片和连接该贴片与地板的金属通孔构成的类E型EBG结构，如图2所示。EBG单元是在蘑菇状EBG基础上，考虑在介质板上层金属贴片周围增加了三个枝节，其中左、右两边的弧形枝节可以抑制更多因左、右两边天线阵元产生的表面波，而中间的矩形枝节则会进一步提高抑制表面波传输的效果。

图2 EBG单元结构图Fig.2 EBG unit structure diagram

色散图是一种研究和分析各种EBG结构带隙特性的常用方法[26]。利用电磁仿真软件(High Frequency Structure Simulator, HFSS)对图2(a)所示的类E型EBG单元进行仿真分析，得到其色散曲线如图3所示，其中横轴表示在一个特殊布里渊三角区的三个主要方向，即Γ到X、X到M和M到Γ。从色散图可知，模式1与模式2之间的频率带隙区域为4.2～6.5 GHz，该频段包含了本文所提出阵列天线的5.8 GHz工作频带，因此考虑将其引入参考天线阵元间降低互耦和相关性。

图3 EBG结构色散图Fig.3 Dispersion diagram of EBG unit structure

加载类E型EBG结构后的去耦阵列天线如图4(a)所示。考虑到天线阵元的形状和类E型EBG结构的设计理念，因此在阵元间只需要加载两个以圆心连线对称放置的EBG结构，其等效电路示意图如图4(b)和4(c)所示。图4(b)中，两个类E型EBG单元的金属通孔和金属接地板之间形成电流通路，可以将这种效应视为电感L1和L2； 两个类E型EBG单元之间的缝隙边缘会有电荷的聚集，可以视为电容C0。类E型EBG结构的三个枝节可以分别等效成一个电容，因此两个类E型EBG单元各自三个电容并联后的总效应分别用电容C1和C2表示，这样两个对称放置的类E型EBG结构整体的等效电路模型如图4(c)所示。根据LC并联谐振模型，结合经验公式可以推导出频率带隙相关计算表达式, 即

图4 加载EBG结构的阵列天线及EBG结构等效电路图Fig.4 Array antenna loaded with EBG structure and EBG structure equivalent circuit diagram

(2)

(3)

L=μ0μrh

(4)

(5)

(6)

式中：C1=C2；L1=L2；L0为一个类E型EBG单元的等效电感；fL和fH分别为频率带隙的下限和上限频率；f0为带隙的中心频率；BW为带隙带宽。

经过仿真优化分析，和其他参数相比，参数t和散射参数中S12最小值随频率的移动有明显的关系，图5给出了t取几组不同值时的回波损耗S11和隔离度S12。可以看出，当t=34°时，去耦天线谐振频率5.8 GHz处的S12达到-54.1 dB。对其他参数进行优化，最佳数值为r1=9.25 mm，w1=0.5 mm，w2=1.6 mm，L2=5.2 mm，d1=1.5 mm，t=34°，t1=2°和D=0.6 mm。

图5 天线在不同t值时的散射参数Fig.5 Scattering parameters in different values of t

利用HFSS软件对参考天线和所有尺寸取最优值的去耦阵列天线进行仿真，其散射参数和表面电流分布的仿真结果，如图6所示。可以看出，阵列天线引入类E型EBG结构前后，谐振频率由5.8 GHz变为5.79 GHz，S11值由-49.7 dB变为-27.4 dB，S12值由-16.3 dB减小到-54.1 dB，隔离度提高37.8 dB； 与图6(b)相比，图6(c)中单元间的耦合电流被EBG结构所消耗，终端加载50 Ω的阵元2表面几乎没有感应电流。因此，加载EBG结构的阵列天线较好地降低了阵元间互耦。

图6 仿真结果Fig.6 Simulation results

1.3 加载EBG和DGS的阵列天线设计与分析

常见的DGS结构是在地板上刻蚀一些缝隙。当天线工作在谐振频率时，阵元间的能量受到抑制并且被这些缝隙结构所消耗，从而提高天线的隔离度[31]。前文所述类E型EBG结构只扼制了介质基板上层阵元间的表面波传播，从而降低互耦。在此基础上，为了降低介质基板下层的地板上表面波传播引起的互耦，在图4中去耦天线阵元间的地板上刻蚀两组弧形缝隙，进一步改善参考天线的辐射性能，提高隔离度。

鉴于阵元的形状和电流的流动方式，本文设计了一种弧形缝隙DGS，如图7(a)所示。图中每组缝隙由在阵元间地板上沿每一个阵元的边缘刻蚀等间隔角度的三个小弧形缝隙构成。每一个小弧形缝隙的两个侧边可以等效成电容C，如图7(b)所示，其余的两个边沿线可以视为电感效应，且阵列天线工作时因辐射等产生的一些损耗可以视为电阻R，这样图7(b)中的一个弧形缝隙DGS单元可以等效成并联RLC电路模型，如图7(c)所示。根据传输线相关理论，可以推导出以下表达式：

图7 加载EBG和DGS的阵列天线及DGS结构等效电路图Fig.7 Array antenna loaded with EBG and DGS structures and DGS structure equivalent circuit diagram

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Z0=50 Ω是个定值，表示特性阻抗；f′为电路谐振频率； Δf为-3dB带宽。

通过仿真分析可得，参数t2和参数t对于S12最小值随频率变化的影响相同。从图8可以看出，当t2=22°时，去耦天线谐振频率处的S12值最小。优化后的其他参数取值为r2=8.8 mm，w4=0.5 mm，t2=22°和t3=26°。

图8 天线在不同t2值时的散射参数Fig.8 Scattering parameters in different values of t2

对加载类E型EBG结构和弧形缝隙DGS的去耦阵列天线进行仿真求解，其散射参数和表面电流分布的仿真结果如图9所示。从仿真结果可以看出，加载EBG结构的阵列天线在继续加载DGS后的谐振频率和回波损耗S11值基本不变，S12值由-54.1 dB减小到-76.9 dB。此时，去耦阵列天线的-10 dB阻抗带宽范围为5.6 ～5.95 GHz，包括5.725 ～5.85 GHz。与图9(b)相比，图9(c)中阵元间地板上的耦合电流被DGS扰乱，因此终端接50 Ω负载的阵元2正下方地板上几乎没有电流。因此，与加载EBG结构的阵列天线相比，同时加载EBG和DGS的去耦阵列天线的隔离度又提高22.8 dB，从而更好地降低了阵元间互耦和相关系性。

图9 仿真结果Fig.9 Simulation results

2 实验结果与讨论

为了验证所设计阵列天线的性能，对优化后的参考天线和去耦阵列天线进行实物制作和测试，加工后的实物如图10所示。

图10 天线实物图Fig.10 Photographs of fabricated array antennas

利用Agilent 8719ES矢量网络分析仪对加工天线的散射参数进行测试，回波损耗S11和隔离度S12仿真和测试结果见图11。图11(a)中，与仿真结果相比，两种天线的实测谐振频率有所偏移，但都仍在5.725～5.85 GHz频段内； 虽然两种天线在谐振频率处的实测S11值都比仿真值大，但都保持在-10 dB以下。图11(b)表明，参考天线仿真和测试的散射参数S12值基本保持一致； 去耦阵列天线仿真和实测S12值的总体趋势一致，实测最小值为-61.2 dB。由于制造误差和测量误差产生散射参数仿真和实测结果之间的差异可以忽略。在整个5.725～5.85 GHz频带内，去耦阵列天线的实测耦合值总体低于-40 dB，和参考天线相比，阵元间互耦最大降低了45.4 dB。

图11 散射参数仿真和测量结果图Fig.11 Simulated and measured results of scattering parameters

在暗室中对天线的远场辐射性能进行测试。在微带贴片阵元1被激励，阵元2终端接50 Ω负载时，天线的仿真和测试辐射方向图如图12所示。可以看出，在5.8 GHz处，天线的仿真和实测辐射方向图基本吻合； 主要由于EBG结构在其频率带隙内具有一定的散射能力，以及DGS结构对天线辐射性能的影响，导致引入两种去耦结构后的阵列天线XOZ面的主极化方向图的后瓣增益有一定增大，使整个方向图更趋近于全向天线辐射方向图，对YOZ面的主极化也有同样的影响； 同样，也使XOZ面和YOZ面的交叉极化在0°方向的值有所增大，且YOZ面交叉极化方向图的后瓣个数有所增加。两种去耦结构及天线在加工过程中的尺寸精度误差以及测试时馈电端口处焊接等产生的损耗，导致实测和仿真方向图之间出现差异，但这些差异均在误差允许范围之内。

图12 5.8 GHz处仿真和测量辐射方向图Fig.12 Simulated and measured radiation patterns at 5.8 GHz

通常，包络相关系数(ECC)是一个用来评估各个信道间相关性的重要指标[25]，也可以分析天线的多输入多输出性能[34]。计算二元阵列天线的ECC值：

(11)

借用式(11)计算去耦天线的仿真和实测ECC值[29]，如图13所示。在整个5.725～5.85 GHz工作频带内，去耦阵列天线的实测ECC值总体小于0.001。这表明，同时引入设计的两种去耦结构可以有效降低阵元间的相关性，有助于改善此阵列天线的MIMO性能，提高接收信噪比[35]。

图13 去耦天线的ECC仿真和测量结果图Fig.13 ECC simulated and measured results of decoupling array antenna

表1是本文设计的去耦微带阵列天线与参考文献中去耦天线的参数设计和去耦效果的对比。通过比较可知，同时引入两种去耦结构的阵列天线具有较小的尺寸，并且在工作频带内具有很低的互耦和很小的ECC值。

表1 本文去耦天线与参考文献中天线对比

3 结 论

本文提出了一种低互耦和低相关性的圆形微带贴片阵列天线。不同于一般加载单一方法的去耦设计，本文通过同时加载类E型EBG结构和弧形缝隙DGS两种去耦结构，分别抑制介质基板上层表面波传输和下层地板耦合电流，从而更有效地提高了天线的隔离度。所提出去耦天线的测试结果表明，在5.725～5.85 GHz频带内，互耦降低45.4 dB，并且ECC值总体小于0.001，去耦结构对天线辐射方向图基本没影响。仿真和测量结果吻合良好，验证了去耦天线良好的性能。和列举的文献中其他天线相比，本文展示的去耦微带阵列天线具有较小的尺寸，稳定的辐射方向图，在工作频带内具有更低的互耦和更小的ECC值。此外，本文的去耦阵列天线结构简单，制造成本低，可以为MIMO天线系统、雷达相控阵天线和其他微带阵列天线的去耦设计提供部分参考。在目前成果的基础上，接下来会进一步研究基于本文所提出两种去耦结构的三元以及更多元阵列天线的去耦效果； 并通过采用串联式馈线结构馈电和开口谐振环等方法对去耦微带阵列天线的增益作进一步的改善； 也会对基于本文提出的两种去耦结构的其他类型阵列天线的去耦效果进行研究和分析。