一种用槽和同轴线馈电的三极化共形天线

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                1  引言

                         在无线通信中运用MIMO系统可以使系统容量成倍提高。近些年，许多已发表的文章都提到线性单极化阵列MIMO系统，而多极化天线才刚开始受到关注。A. S. Konanur在他的文中提出一种由圆环和偶极子构成的矢量天线，研究结果表明多极化天线MIMO阵列比相同天线单元数的单极化天线阵列的信道容量更大。不同极化方向的分支之间相关系数很低，完全可看作相互独立的收发通道。因此，多极化天线可以利用更少的体积实现更多的统计独立多径通道，从而有效地提高系统容量和传输速率。
                          
                         利用空间坐标系三个轴方向相互正交的特点，三极化天线可以设计出三个正交方向极化，在有限的体积内实现三个独立的收发通道。Itoh等人提出了一种由两个垂直缝隙和单极子构成的三极化天线。Das等人提出一种由双极化圆形贴片和单极子构成的三极化天线。Gray等人在他的文中介绍了一种由双极化介质谐振器和单极子构成的三极化天线。
                          
                         本文提出的三极化天线是一种共形天线，强度高、占用空间少，并且实现了三个正交的极化，在2.4~2.59GHz范围内反射系数小于-10dB。共形结构的天线高度仅为10.8mm，三个端口间的隔离度分别优于-16dB、-30dB和-40dB。
                          
                        2  天线的结构设计

                         采用双缝耦合对贴片馈电可以有效地提高端口间的隔离度，本发明正是采用的这种方法对圆形贴片进行馈电形成双极化。天线结构如图1所示。天线由两层介质层基片组成，分别为介质基片1和介质基片2。双极化圆形贴片附着于基片1上表面。两个“H”型缝位于介质基片1和基片2之间的接地平面，在双极化圆形贴片和馈线间进行耦合馈电。两条微带馈线位于介质基片2的下表面，并分别位于相应缝隙的下方，馈电形成和X轴，Y轴平行的两个方向的正交极化。两个“H”形缝隙呈“T”形放置，用于改善两个缝隙的隔离度。
                          
       

               

       

                图1  三极化天线结构图．（a）俯视图（b）侧视图

                          
                         由于圆形贴片上激励起的两个正交模式在贴片中心处的电场皆为零，所以可以在双极化圆形贴片中心处加入短路销钉或其它的短路条件而不对两个正交模产生影响。我们提出的设计方案正是利用了这种短路边界条件，将一根同轴线从贴片中心点穿过。同轴线的外导体同时与接地平面和双极化圆形贴片单元相连。同轴线的内导体和一个圆盘加载的单极子天线相连。这个单极子天线激励起的电场和Z轴平行。在单极子天线的工作模式中，双极化圆形贴片被用作大地。
                          
                         本发明采用了加载单极子天线而不是四分之一波长单极子天线作为辐射单元，从而有效地减小了单极子的高度。在2.6GHz的工作频率，四分之一波长单极子天线需要29mm的高度，传统的加载单极子天线通常也有15mm的高度。
                          
                         为了保证共形的要求，本发明采用的加载单极子天线的高度为5mm。随着加载单极子天线高度的降低，加载圆盘和大地之间的等效并联电容值开始增加，从而导致加载单极子天线的端口匹配恶化。为了抵消等效并联电容的影响，本发明在天线输入端引入了1.5nH的并联电感，使并联电感、电容构成的谐振电路在天线的工作频段内谐振而对消，从而实现了纯阻特性的天线输入阻抗。
                          
                         天线的具体尺寸如图1所示，图1a和图1b分别是天线的俯视图和侧视图。整个天线体积为94mm*94mm*10.8mm。介质基片1的介电常数为2.6，介质基片2的介电常数为4.5。两个介质层由W，L，R，h1和h2定义，“H”型缝隙由ds，ls，la1，la2，wa1，wa2，D定义，加载单极子天线由h0，r定义。
                实际天线的设计参数如下：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。
                          
                         双极化圆形贴片激励起平行于X，Y轴的两个正交方向的电场，加载单极子激励起了平行于Z轴方向的场，故该天线形成了三个方向的极化。
                          
                        3  天线的实测结果及分析

                         图2给出了天线实测的反射系数，可以看到各端口反射系数小于-10dB的带宽范围测量结果分别如下：S11（单极子端口M1）带宽2.38-2.59GHz，S22（端口P1）带宽2.38-2.62GHz，S33（端口P2）带宽2.40-2.61GHz。
                          
       

               

       

                图2  三端口反射系数实测曲线

                          
                         图3给出了天线三端口间实测的隔离度。可以看出，端口P1和端口M1的隔离度在带宽范围内小于-16dB，端口P1和端口P2的隔离度在带宽范围内小于-30dB，端口P2和端口M1在带宽范围内小于-40dB。测量结果表明，槽耦合馈电三极化天线的三个端口相互隔离效果理想，均可以独立工作。
                          
       

               

       

                图３  任两端口的隔离度在频带范围的变化曲线

                          
                         图4为各端口实测方向图。为了便于方向图的比较，所有的方向图都进行了相应的归一化。图（a）（b）为端口P1的XZ、YZ面方向图。从结果图中可知，在XZ面内E_theta大于E_phi，而在YZ面内，E_phi大于Etheta，则说明端口P1辐射的电场平行于X轴。端口P2的XZ、YZ面方向图为图（c）（d），也可以看出端口P2辐射的电场与Y轴平行。图（e）（f）所示为端口M1的XZ、YZ面方向图。从实测结果可以看出，无论在XZ面还是YZ面，端口M1的E_theta都大于E_phi，说明端口M1的电场为平行于Z轴方向。可见天线有三个正交的极化模式。