【導(dǎo)讀】無(wú)線通信中，靈活運(yùn)用MIMO系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)容量已經(jīng)不再是秘密。近年來(lái)的研究結(jié)果表明線性單極化陣列MIMO系統(tǒng)逐漸退出視野，多極化天線的關(guān)注度升高。因?yàn)槎鄻O化天線擁有更大的信道容量。本文就為大家展示一種用槽和同軸線饋電的三極化共形天線。
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。
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(xiāo)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(guò)。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(pán)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(pán)和大地之間的等效并聯(lián)電容值開(kāi)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。
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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?？梢钥闯觯丝赑1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(shuō)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(wú)論在XZ面還是YZ面，端口M1的E_theta都大于E_phi，說(shuō)明端口M1的電場(chǎng)為平行于Z軸方向?？梢?jiàn)天線有三個(gè)正交的極化模式。
圖4 各端口的實(shí)測(cè)方向圖
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