应用于WLAN的缝隙阵列天线设计

陈 洁，孙美娇，韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

随着信息技术的进步与发展，信息的高速传输为人类的通信生活带来便捷并创造更多的可能性，同时对天线的宽带、方向性等性能提出了更高的要求.由于阵列天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束控制等特性，使阵列技术在无线通信、卫星通信、气象预测等方面得到了广泛应用.

在阵列天线设计中，必须要考虑天线单元之间的互耦效应.互耦效应会改变天线单元原有的电流路径，从而改变其阻抗特性，影响天线阵列的性能.传统的降低天线单元之间互耦的方法有：采用缺陷地结构[1-4]、加载谐振器[5-7]以及中和线[8，9].文献[1]设计了一种多端口微带网格阵列结构，可以灵活地将其用作单个天线或多个天线，通过缺陷地结构减少互耦；文献[2]设计了一种旋转对称多端口天线，通过位于介质底部的缺陷地结构抑制相邻天线单元之间的互耦；文献[3]设计了一个用于WLAN的双频二元多输入多输出天线，通过在接地板上开缝隙使端口间的互耦减小；文献[4]设计了一个紧凑的超宽带多输入多输出天线，天线单元为弯折的单极子天线，通过在接地板中间刻蚀缝隙来降低互耦；文献[5]在两个紧密放置的单极天线之间插入一维电磁带隙结构和开口谐振环结构以抑制互耦；文献[6]设计了一种二元双频微带天线阵列，在天线单元之间插入一个不对称环路谐振器减少互耦；文献[7]通过在两个矩形贴片天线单元之间添加平行金属条带降低互耦；文献[8]设计了一种紧凑的超宽带多输入多输出天线，用中和线连接两个天线单元以减少互耦；文献[9]通过使用两个交叉中和线连接两个对称的天线单元降低互耦；另外，文献[10]提出了阵列天线解耦表面(ADS)的概念，分别设计了8元线极化贴片阵列天线和2×2双极化八元线性偶极子阵列，通过ADS实现单元间的解耦.

本文设计了一种应用于WLAN的4元多端口缝隙阵列天线.缝隙天线单元由微带馈线和刻蚀有弯折形缝隙的接地板组成，通过ADS改善单元间的隔离度.阵列天线可以工作在WLAN频段，天线单元之间的隔离度大于15 dB，且具有良好的辐射特性.

1 天线设计

天线的结构如图1 所示，天线由两层结构组成.下层是4单元的缝隙天线，介质基板的下表面是刻蚀有弯折形缝隙的接地板，上表面为阶梯形微带馈线，天线单元的间距D为40 mm.上层是阵列天线解耦表面ADS，由介质基板和位于其上表面的4组金属反射贴片组成.上下层间距H为20.9 mm.

图1 天线结构示意图Fig.1 Configuration of array antenna

通过调整ADS的高度和贴片尺寸，可以使反射贴片的反射波与单元间的耦合波幅度相等相位相反，达到相互抵消的目的，减小单元间的互耦.选用相对介电常数为4.4，厚度为1.6 mm 的FR4作为介质基板.利用商用电磁软件HFSS进行仿真分析，优化后的参数为：L=160 mm,W=55 mm,ws=3 mm,ls=8 mm,ws1=1.3 mm,ls1=22.9 mm,l1=7.2 mm,l2=7.2 mm,l3=7.3 mm,g=2.2 mm,lp=16 mm,wp=20 mm,d1=2 mm.

为了说明解耦机理，研究了天线的表面电流分布.图2 给出了激励端口1时的表面电流分布图.由图2 可知，不加ADS时，较大的电磁能量从单元1耦合到单元2，导致隔离度较差.引入ADS后，反射波与耦合波互相抵消，从端口1到端口2的电磁能量耦合减少，实现良好的端口隔离.

图2 天线表面电流分布Fig.2 Surface current distributions of antenna

2 参数分析

通过对天线进行敏感性分析，发现金属反射贴片的长度lp、贴片的间距d1以及上下层间距H对天线性能影响较大.由于相邻天线单元之间的互耦较强，考虑到天线结构的对称性，重点分析各个参数对S12和S23的影响.分析某一参数对天线性能的影响时，其它参数均保持不变.图3 给出不同贴片长度lp对互耦的影响，在工作频段内，随着lp的增加，单元1和2之间的互耦降低，单元2和3之间的互耦先降低后增加，当lp=16 mm 时，单元1和2以及单元2和3之间的互耦分别小于-16 dB和-16.7 dB，性能最好.

图3 不同lp的互耦Fig.3 Mutual coupling for different lp

图4 给出贴片间距d1对互耦的影响，d1从1.5 mm增加到2.5 mm时，工作频段内单元1和2之间的互耦均低于-15 dB，单元2和3之间的互耦先降低后增加，当d1=2 mm时，单元2和3之间的互耦最小，低于-16.7 dB.

图4 不同d1的互耦Fig.4 Mutual coupling for different d1

图5 不同H的互耦Fig.5 Mutual coupling for different H

图5 给出上下层间距H对互耦的影响，在工作频段内，随着H的增加，单元1和2之间的互耦降低，单元2和3之间的互耦先降低后增加，当H=20.9 mm时，单元1和2以及单元2和3之间的互耦都小于-16 dB.

3 结果与讨论

由于天线结构左右对称，且相邻天线单元之间的互耦较强，本文重点研究天线单元1和2，单元2和3以及单元1和3的S参数.图6 为天线的仿真反射系数和隔离度.由图6 可见，没有增加ADS之前，天线4个端口的匹配良好，-10 dB阻抗带宽为2.39～2.485 GHz(相对带宽为3.9%)，包含了WLAN的2.4 GHz工作频段，但是相邻天线单元间的隔离度较差.增加ADS后，单元1和单元2间的互耦从-14 dB下降到-16 dB 以下，单元2和单元3间的互耦从-10 dB 下降到-17 dB，单元1和单元3间的互耦也明显降低，低于-22 dB.总而言之，增加ADS后阵列天线在工作频段范围内单元间的互耦均小于-16 dB，阻抗带宽为2.345～2.533 GHz，相对带宽为7.7%.

图6 阵列天线的S参数Fig.6 S-parameters of array antenna

图7 为天线在2.44 GHz处的仿真辐射方向图.可以看到，没有ADS时，天线单元的E面方向图呈“8”字型，H面方向图近似全向.增加ADS后，天线的辐射特性基本不变，且在最大辐射方向上的增益略有改善.

图7 阵列天线的辐射方向图Fig.7 Radiation patterns of array antenna

4 结 论

本文设计了一种4单元缝隙阵列天线.通过在阵列天线上方增加ADS提高单元间的隔离度.天线单元之间的隔离度大于15 dB，且具有良好的辐射特性，结构简单，易于制作，可以应用在WLAN工作频段.