一种基于曲折枝节去耦的多元滤波天线

李增有，李为峰

(中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023)

0 引言

通信测控频段由于频带较窄,对临近微波频段的电磁信号较为敏感,若临近频带的电场强度较强,可能会对其作为有效信号进行接收造成电磁干扰。因此如何提高窄带天线的边带增益陡降幅度成为目前通信测控领域较为突出的问题。为解决该电磁干扰问题[1-2],在实际工程中均采用在前端加载滤波器的方式[3],这将造成通信设备的体积变大,若采用具有陷波功能的天线单元可使边带增益陡降幅度较大,则可以避免上述问题。已经报道的实现滤波的方式有加载寄生谐振枝节[4-5]、开槽[6-7]和加载枝节[8]。多输入多输出天线可在不增加天线发射功率的情况下,通过分集技术改善通信质量并提高通信速率。同时,对测控设备提出了小型化的结构设计要求,这也对作为信号接收设备的天线提出了更高的要求,要求其尺寸尽可能紧凑,相邻天线单元间的耦合会随着空间距离的缩小而增大[9]。目前常用的减小多天线单元间耦合的方法包括:极化分集技术[10]、地板开槽技术[11]、地板加载枝节技术[12]以及中和线技术[13-15]。因此对具有陷波功能的天线单元以及如何减小多天线单元间的耦合进行研究具有重要意义。

针对上述研究背景,基于微带天线设计了一款具备边带增益陡降特性的陷波天线,并在此天线单元基础上通过加载曲折型枝节的方法降低了多天线单元间的耦合,从而增加天线单元间的隔离度。在仿真分析的基础上加工了天线样机并测试,测试结果验证了设计的正确性。

1 天线设计原理

1.1 天线单元边带增益陡降特性实现机理

鉴于微带天线易于与复杂结构共形且成本较低,因此常被作为阵面天线单元的首选。但由于微带天线的相对带宽对应在测控通信频段的中心频点处所产生的工作带宽远远超出了测控所需频段,且由于测控领域对通信质量要求较高,因此需将边带的无用频段进行滤除,以避免可能会出现的电磁干扰。本文采用在辐射贴片上开槽的方式实现滤波特性,通过在供电端口周围开2组槽缝实现双滤波特性,槽缝的长度为阻带中心频率的1/4介质波长。为降低结构加工复杂性,槽缝形状采用线型形状。所设计天线具备通带外高低频双边带阻带特征,基于设计原理,图1阐释了天线单元工作在低频阻带中心频点时的滤波原理。

(a)天线电流分布

(b)局部电流矢量图1 中心频点处电流分布Fig.1 Currrent distribution at the central frequency

由图1可以看出,当天线工作在滤波中心频点处时,电流主要集中在外侧槽缝周围,这说明电场能量也集中在此处。为了进一步阐释槽缝实现滤波的原理,图1(b)给出了槽缝周围局部电流矢量方向图,可知槽缝两侧的电流方向相反,因此在远场区所产生的电场相互抵消,从而实现滤波特性。图2给出了天线单元增益随频率的变化曲线,可知未加载滤波结构的天线单元在边带处增益值下降缓慢,而加载滤波槽缝结构的天线单元在边带处增益值下降明显,相对值达到了37 dB以上,具备良好的边带滤波特性。

图2 天线单元增益变化曲线Fig.2 Gain variation curve of antenna element

1.2 天线高隔离度实现机理

为了降低天线单元间的耦合,增加单元间的隔离度,采用添加金属枝节的方法,图3给出了加载枝节的过程。

(a)结构2

(a)结构3图3 天线演变过程Fig.3 Evolution process of antenna

为了进一步分析所设计去耦结构的有效性,图4给出了天线演变过程中的电流分布情况。由图4(a)可以看出,在未加载任何去耦枝节的情况下,邻近天线单元的耦合能量较大,这将影响天线单元的独立工作。通过在天线单元间增加金属枝节,结构如图4(b)所示,可知加载金属枝节对提高天线单元间的隔离度有一定作用,金属枝节上有一定的耦合电流,但并未起到理想的去耦作用。通过对金属枝节的形状进行修改,最终电流分布如图4(c)所示,大部分耦合电流分布在曲折型去耦枝节上,邻近天线单元上的耦合电流较小,说明曲折型金属枝节具备较好的去耦作用。

(a)结构1对应电流分布

(b)结构2对应电流分布

(c)结构3对应电流分布图4 天线演变过程电流分布Fig.4 Current distribution during antenna evolution

图5给出了不同结构的电压传输系数随频率的变化曲线,可知结构3对应的电压传输系数在测控频段内均小于-20 dB,证明了加载曲折型枝节可以起到良好的去耦作用。

图5 天线电压传输系数变化曲线Fig.5 Voltage transmission coefficient variation curve of antenna

2 天线单元设计

2.1 天线单元结构

基于微带天线设计了一款具有陷波功能的微带天线单元,图6给出了所设计天线的结构和实物。天线印制在介电常数为4.5的介质板两侧,尺寸为80 mm×62 mm×4.5 mm。

(a)天线结构

(b)天线实物图6 天线单元结构Fig.6 Structure of antenna element

表1给出了所示天线结构的具体参数。

表1 天线结构参数Tab.1 Antenna structure parameters 单位:mm

2.2 天线仿真与测试结果分析

为了验证设计的可行性,对所设计的天线进行加工样机并测试,测试项目包括散射参数、增益值和辐射方向图。散射参数是表征微波器件端口匹配特性的重要参数。

2.2.1 散射参数

图7为所设计天线单元的反射系数随频率的变化曲线。

图7 散射参数曲线Fig.7 Scattering parameter curve

由图7可以看出,所设计天线在2.2～2.3 GHz电压反射系数均小于-10 dB,且在邻近频带内电压反射系数增加迅速,从而证明天线在工作频段以外辐射效率较低,没有进行能量的辐射或接收,达到了预期设计的目的。

2.2.2 增益仿真及测试结果

图8为所设计天线单元的增益值随频率的变化曲线。从图中可以看出,所设计天线的最大增益值为6.2 dB,在2个阻带处增益值下降明显,在2.0、2.6 GHz处达到了-32、-31 dB,验证了开槽实现边带增益陡降特性的可行性。由于测试环境以及介质板的不均匀性的影响,测试结果较仿真结果值略小。

图8 天线仿真与测试的增益值曲线Fig.8 Antenna simulation and test gain value curve

2.2.3 辐射方向图仿真及测试结果

图9给出了天线E面和H面仿真和测试的归一化方向图,从图中可以看出,天线方向图的仿真结果与测试结果较为吻合,前后比大于24 dB。

图9 天线的归一化方向图Fig.9 Antenna normalized radiation patterns

3 带去耦结构的多天线设计

3.1 天线结构

基于上节所设计的微带天线单元,通过在邻近天线单元间增加曲折型去耦结构来降低单元间的耦合、增加隔离度。图10给出了所设计天线的结构和实物。

(a)天线结构

(b)天线实物图10 天线结构Fig.10 Antenna structure

表2给出了所示天线结构的具体参数。

表2 天线结构参数Tab.2 Antenna structure parameters 单位:mm

3.2 仿真与测试结果分析

为了验证设计的可行性,对所设计的天线进行加工样机并测试,测试项目包括散射参数、增益值和辐射方向图。

3.2.1 散射参数

图11给出了所设计天线的仿真和测试散射参数随频率的变化曲线。

图11 散射参数曲线Fig.11 Scattering parameter curve

由图11可以看出,所设计天线在2.2～2.3 GHz反射系数均小于-10 dB,满足实际应用需求。分析可知,馈电端口2与馈电端口3之间的电磁耦合最为严重,因此给出端口2和3之间的电压传输系数,仿真和测试结果在通信频段内均小于-20 dB,证明相邻天线单元间的相关性较小。

3.2.2 增益仿真及测试结果

图12给出了天线增益的仿真与测试结果。

图12 天线仿真与测试的增益值曲线Fig.12 Antenna simulation and test gain value curve

从图中可以看出,天线的增益值在2.2～2.3 GHz均大于等于12.5 dB,在通信频段以外下降迅速。说明该天线具有良好的边带滤波特性。

3.2.3 辐射方向图仿真及测试结果

图13给出了天线E面和H面仿真和测试的归一化方向图,从图中可以看出天线方向图的仿真结果与测试结果较为吻合,前后比大于20 dB。

图13 天线的归一化方向图Fig.13 Antenna normalized radiation patterns

基于所设计天线的测试结果,表3列出了该设计与先前报道的类似成果相应的结构与性能指标的对比。可以看出,所设计天线在保证双滤波特性与高隔离度的条件下,单元间的距离较小,且单元数量较多。

表3 天线与先前报道天线对比Tab.3 Comparison table of antenna with previously reported antennas

4 结束语

由以上仿真与测试结果可知,所设计天线单元在通带2.2～2.3 GHz增益平稳大于等于6.2 dB,变化幅度小于0.3 dB,边带增益值下降迅速,相对值大于等于37 dB,验证了开槽缝结构实现天线边带滤波特性的可行性;通过在阵列天线间增加曲折型去耦枝节来降低单元间的耦合,经加工天线样机并测试,测得天线间的隔离度大于等于20 dB,且保持了天线单元边带滤波特性的优势。由此得出结论,开槽实现陷波特性、在多天线单元间添加曲折型枝节抑制单元间耦合等方案的可行性,为解决类似问题提供了解决方案。