一種用槽和同軸線饋電的三極化共形天線

　　1 引言

　　在無線通信中運(yùn)用MIMO系統(tǒng)可以使系統(tǒng)容量成倍提高。近些年，許多已發(fā)表的文章都提到線性單極化陣列MIMO系統(tǒng)，而多極化天線才剛開始受到關(guān)注。A. S. Konanur在他的文中提出一種由圓環(huán)和偶極子構(gòu)成的矢量天線，研究結(jié)果表明多極化天線MIMO陣列比相同天線單元數(shù)的單極化天線陣列的信道容量更大。不同極化方向的分支之間相關(guān)系數(shù)很低，完全可看作相互獨(dú)立的收發(fā)通道。因此，多極化天線可以利用更少的體積實(shí)現(xiàn)更多的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立多徑通道，從而有效地提高系統(tǒng)容量和傳輸速率。

　　利用空間坐標(biāo)系三個(gè)軸方向相互正交的特點(diǎn)，三極化天線可以設(shè)計(jì)出三個(gè)正交方向極化，在有限的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)三個(gè)獨(dú)立的收發(fā)通道。Itoh等人提出了一種由兩個(gè)垂直縫隙和單極子構(gòu)成的三極化天線。Das等人提出一種由雙極化圓形貼片和單極子構(gòu)成的三極化天線。Gray等人在他的文中介紹了一種由雙極化介質(zhì)諧振器和單極子構(gòu)成的三極化天線。

　　本文提出的三極化天線是一種共形天線，強(qiáng)度高、占用空間少，并且實(shí)現(xiàn)了三個(gè)正交的極化，在2.4~2.59GHz范圍內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB。共形結(jié)構(gòu)的天線高度僅為10.8mm，三個(gè)端口間的隔離度分別優(yōu)于-16dB、-30dB和-40dB。

　　2 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　采用雙縫耦合對(duì)貼片饋電可以有效地提高端口間的隔離度，本發(fā)明正是采用的這種方法對(duì)圓形貼片進(jìn)行饋電形成雙極化。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由兩層介質(zhì)層基片組成，分別為介質(zhì)基片1和介質(zhì)基片2。雙極化圓形貼片附著于基片1上表面。兩個(gè)“H”型縫位于介質(zhì)基片1和基片2之間的接地平面，在雙極化圓形貼片和饋線間進(jìn)行耦合饋電。兩條微帶饋線位于介質(zhì)基片2的下表面，并分別位于相應(yīng)縫隙的下方，饋電形成和X軸，Y軸平行的兩個(gè)方向的正交極化。兩個(gè)“H”形縫隙呈“T”形放置，用于改善兩個(gè)縫隙的隔離度。

　　圖1 三極化天線結(jié)構(gòu)圖.(a)俯視圖(b)側(cè)視圖

　　由于圓形貼片上激勵(lì)起的兩個(gè)正交模式在貼片中心處的電場(chǎng)皆為零，所以可以在雙極化圓形貼片中心處加入短路銷釘或其它的短路條件而不對(duì)兩個(gè)正交模產(chǎn)生影響。我們提出的設(shè)計(jì)方案正是利用了這種短路邊界條件，將一根同軸線從貼片中心點(diǎn)穿過。同軸線的外導(dǎo)體同時(shí)與接地平面和雙極化圓形貼片單元相連。同軸線的內(nèi)導(dǎo)體和一個(gè)圓盤加載的單極子天線相連。這個(gè)單極子天線激勵(lì)起的電場(chǎng)和Z軸平行。在單極子天線的工作模式中，雙極化圓形貼片被用作大地。

　　本發(fā)明采用了加載單極子天線而不是四分之一波長(zhǎng)單極子天線作為輻射單元，從而有效地減小了單極子的高度。在2.6GHz的工作頻率，四分之一波長(zhǎng)單極子天線需要29mm的高度，傳統(tǒng)的加載單極子天線通常也有15mm的高度。

　　為了保證共形的要求，本發(fā)明采用的加載單極子天線的高度為5mm。隨著加載單極子天線高度的降低，加載圓盤和大地之間的等效并聯(lián)電容值開始增加，從而導(dǎo)致加載單極子天線的端口匹配惡化。為了抵消等效并聯(lián)電容的影響，本發(fā)明在天線輸入端引入了1.5nH的并聯(lián)電感，使并聯(lián)電感、電容構(gòu)成的諧振電路在天線的工作頻段內(nèi)諧振而對(duì)消，從而實(shí)現(xiàn)了純阻特性的天線輸入阻抗。

　　天線的具體尺寸如圖1所示，圖1a和圖1b分別是天線的俯視圖和側(cè)視圖。整個(gè)天線體積為94mm*94mm*10.8mm。介質(zhì)基片1的介電常數(shù)為2.6，介質(zhì)基片2的介電常數(shù)為4.5。兩個(gè)介質(zhì)層由W，L，R，h1和h2定義，“H”型縫隙由ds，ls，la1，la2，wa1，wa2，D定義，加載單極子天線由h0，r定義。

　　實(shí)際天線的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：W=L=94mm，R=40mm，h1=5mm，h2=0.8mm，h0=5mm，r=15.6mm。端口1：ds1=32.5mm，ls1=7mm，la1=17mm，la2=2mm，wa1=1mm， wa2=4mm。端口2：ds2=47mm，ls2=8.8mm，la1=11.4mm，la2=2mm，wa1=1mm，wa2=4mm， D=12.3mm。

　　雙極化圓形貼片激勵(lì)起平行于X，Y軸的兩個(gè)正交方向的電場(chǎng)，加載單極子激勵(lì)起了平行于Z軸方向的場(chǎng)，故該天線形成了三個(gè)方向的極化。

　　3 天線的實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

　　圖2給出了天線實(shí)測(cè)的反射系數(shù)，可以看到各端口反射系數(shù)小于-10dB的帶寬范圍測(cè)量結(jié)果分別如下：S11(單極子端口M1)帶寬2.38-2.59GHz，S22(端口P1)帶寬2.38-2.62GHz，S33(端口P2)帶寬2.40-2.61GHz。

　　圖2 三端口反射系數(shù)實(shí)測(cè)曲線　　圖3給出了天線三端口間實(shí)測(cè)的隔離度。可以看出，端口P1和端口M1的隔離度在帶寬范圍內(nèi)小于-16dB，端口P1和端口P2的隔離度在帶寬范圍內(nèi)小于-30dB，端口P2和端口M1在帶寬范圍內(nèi)小于-40dB。測(cè)量結(jié)果表明，槽耦合饋電三極化天線的三個(gè)端口相互隔離效果理想，均可以獨(dú)立工作。

　　圖3 任兩端口的隔離度在頻帶范圍的變化曲線

　　圖4為各端口實(shí)測(cè)方向圖。為了便于方向圖的比較，所有的方向圖都進(jìn)行了相應(yīng)的歸一化。圖(a)(b)為端口P1的XZ、YZ面方向圖。從結(jié)果圖中可知，在XZ面內(nèi)E_theta大于E_phi，而在YZ面內(nèi)，E_phi大于Etheta，則說明端口P1輻射的電場(chǎng)平行于X軸。端口P2的XZ、YZ面方向圖為圖(c)(d)，也可以看出端口P2輻射的電場(chǎng)與Y軸平行。圖(e)(f)所示為端口M1的XZ、YZ面方向圖。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，無論在XZ面還是YZ面，端口M1的E_theta都大于E_phi，說明端口M1的電場(chǎng)為平行于Z軸方向?？梢娞炀€有三個(gè)正交的極化模式。

　　圖4 各端口的實(shí)測(cè)方向圖

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)并制造了一種新型的三極化共形天線，通過在圓形貼片上加載圓形貼片單極子的方法來實(shí)現(xiàn)三個(gè)正交方向的極化。研究了該天線的特性并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析非常吻合。三個(gè)端口的帶寬均大于-190MHz，天線的各端口隔離度分別大于-16dB、-30dB和-40dB。此種三極化共形天線外形隱蔽、占用空間少、提高系統(tǒng)容量的優(yōu)點(diǎn)可以在無線移動(dòng)通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。