緊湊型共面波導饋電的雙極化槽天線(xiàn)

1引言

多輸入多輸出（MIMO）系統可以有效地利用多徑信號，成倍地增加信道容量。在當今大容量、高速率的通信中，MIMO系統發(fā)揮了重要的作用。MIMO為了減少天線(xiàn)接收信號間的相關(guān)性，需要適當增大天線(xiàn)間的距離；當系統的空間受限時(shí)，信號相關(guān)性增強，導致信道容量減小。為了克服這一問(wèn)題，多極化天線(xiàn)逐步得到關(guān)注，利用高隔離度的極化減少天線(xiàn)的數目，節省空間。

以雙極化天線(xiàn)為例，通過(guò)單天線(xiàn)的兩種極化代替雙天線(xiàn)，從而節省兩個(gè)天線(xiàn)間的距離。在目前的文獻中實(shí)現雙極化最常用的技術(shù)是激勵兩種正交（高隔離度）的模式，進(jìn)而實(shí)現兩種正交（高隔離度）的極化。由于兩種極化在隔離度上有比較嚴格的要求，如何提高兩種極化饋電端口間的隔離度是雙極化天線(xiàn)的難點(diǎn)。

目前有效的技術(shù)包括：(1)采用差分饋電的方式，使兩種極化的零點(diǎn)重合，避免耦合；(2)在兩種極化饋線(xiàn)間采用空氣橋的技術(shù)，即在饋線(xiàn)交叉的部分減小線(xiàn)寬來(lái)減少耦合，同時(shí)進(jìn)行饋電電路的匹配；(3)采用多路平衡的技術(shù)，即在端口1和2之間存在多個(gè)耦合路徑，且使多路耦合信號疊加為0，實(shí)現高隔離度；(4)采用不同物理結構饋電，如分別采用探針和耦合方式激勵兩種極化。以上的方法可以實(shí)現的隔離度達到-25dB至-30dB，但是共同的特點(diǎn)是饋電網(wǎng)絡(luò )結構十分復雜，引入的空氣橋、功分器等帶來(lái)了損耗，天線(xiàn)單元也不夠緊湊，造成空間的浪費。

本文針對雙極化天線(xiàn)小型化、高隔離度、設計簡(jiǎn)單的需求，提出一種應用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)的雙極化槽天線(xiàn)，饋線(xiàn)采用共面波導結構，利用其兩種正交的模式激勵天線(xiàn)單元水平和垂直兩種極化。兩種極化都工作在2.4GHz，實(shí)現的-10dB帶寬分別為690MHz(28.75%）、590MHz(24.58%)，覆蓋WLAN所需頻帶(2.4GHz-2.484GHz)，端口隔離度優(yōu)于-22dB。最后給出了天線(xiàn)輻射效率和增益的測量結果。

2天線(xiàn)結構

雙極化槽天線(xiàn)的結構及尺寸如圖1所示，正面100*80mm2的銅板刻有52*50mm2的矩形槽作為天線(xiàn)輻射單元，天線(xiàn)由厚度為1mm的FR4（εr=4.4）介質(zhì)板支撐。背面為饋電端口1，為L(cháng)形的微帶線(xiàn)（寬1.9mm）；正面為饋電端口2，通過(guò)共面波導內導體（寬1.9mm）探入槽進(jìn)行饋電。端口1將能量耦合到共面波導，通過(guò)縫隙（寬0.7mm）饋電。通過(guò)調節兩個(gè)端口饋線(xiàn)的長(cháng)度實(shí)現匹配。

圖1天線(xiàn)結構及尺寸

在單天線(xiàn)上實(shí)現雙極化，要求天線(xiàn)單元同時(shí)支持兩種高隔離度的極化模式，矩形槽天線(xiàn)的水平和垂直極化可滿(mǎn)足正交的要求，所以選擇槽天線(xiàn)作為天線(xiàn)單元。為克服雙極化饋電的復雜性，采用共面波導的饋電結構。由于共面波導可以同時(shí)支持奇模和偶模，兩種模式的電場(chǎng)分布如圖2所示，故可以同時(shí)激勵槽天線(xiàn)的水平和垂直極化。這樣兩種極化模式和兩種饋電模式可以分別在單一的槽天線(xiàn)和共面波導上實(shí)現，體現了天線(xiàn)結構的緊湊性。兩個(gè)端口饋電時(shí)，天線(xiàn)上電流分布如圖3所示?？梢钥吹?，端口1饋電時(shí)，共面波導兩側電流反相；端口2饋電時(shí)兩側電流為同相。

圖2共面波導兩種模式電場(chǎng)分布

圖3不同端口饋電的電流分布

3測試結果

雙極化槽天線(xiàn)的實(shí)物如圖4所示。端口1、2的回波損耗和端口間的隔離度測試結果如圖5所示，其中S11-10dB的頻帶寬度為1.92GHz-2.61GHz（28.75%），S22-10dB的頻帶寬度為2.08GHz-2.67GHz（24.58%），可以覆蓋無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）的頻段2.4GHz-2.484GHz，且在該頻段端口隔離度S21優(yōu)于-22dB。

圖4天線(xiàn)實(shí)物

圖5S參數測試結果