摘 要： 采用多层贴片、垂直双H型孔径耦合结构设计了一种高隔离度双极化孔径耦合微带天线。主要通过实测分析不同贴片间距以及孔径大小对天线隔离度的影响，确定了最佳贴片间距和孔径尺寸。经Agilent E5062A矢量网络分析仪实测，得出天线两个端口的回波损耗在2.4～2.5 GHz能达到-16 dB以下，在工作频段内双端口隔离度优于-31 dB，与仿真结果吻合较好。该设计结构简单，成本低廉，易于制作，且可作为双极化基站阵列天线单元。
关键词： 高隔离度； 孔径耦合； 双极化； 微带天线
中图分类号： TN821?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）23?0085?03
Design of dual?polarized aperture coupling antenna with high isolation
WANG Dan?feng1， WANG Zhi?hong1， ZHANG Hai?li2
（1. School of Microelectronics and Solid?state Electronics， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China；
2. Electromechanical and Rail Transit School， Zhejiang Fashion Institute of Technology， Ningbo 315211， China）
Abstract： A dual?polarized aperture coupling micro?strip antenna with high isolation is introduced which using a structure of multi?layer patches and vertical dual?H shape aperture coupling. The influence of different distances between patches and different aperture sizes in the antenna isolation is analyzed through the test， and the best patches distance and aperture size is determined. The test result of VNA Agilent E5062A shows that the return loss in both ports is lower than -16 dB when the frequency is between 2.4 GHz and 2.5 GHz， and the isolation of dual ports is better than -31 dB in the work frequency range. The test result coincides well with the simulation results. The design is simple， low cost， easy to be made， and can be used as the unit of dual?polarized base station array antennas.
Keywords： high isolation； aperture coupling； dual?polarization； micro?strip antenna
0 引 言
当今，无线网络技术得到越来越广泛的发展。目前最为热门的无线网络技术莫过于长距离无线网络技术3G和近距离无线网络技术WiFi。鉴于WiFi产业的蓬勃发展及广阔的应用前景[1]，本文将设计一个工作在2.4～2.5 GHz频段的高隔离度双极化孔径耦合天线，适用于WiFi阵列天线单元。为实现无缝上网及改善通信质量，近年来，双极化天线逐渐流行，其原因主要是它可以提供极化多样化，以减少接收信号的多径衰落；并且频率复用可以加倍无线通信系统的容量[2]；而且可以将一对正交极化端口分别用作接收端和发射端，实现双工操作。当工作在收发双工模式时，双极化天线同时发射或接收两个正交极化的电磁波，因而要求两种极化端口之间有良好的隔离[3]。天线隔离度是指一个天线发射信号，通过另一个天线接收的信号与该发射信号的比值。改善天线隔离度已成为诸多无线电系统天线中经常遇到的问题。通常要求天线隔离度在-28 dB以下。
本文综合运用孔径耦合技术和双线馈电技术设计出了一种适用于WiFi工作的高隔离度、双极化天线，通过实测分析不同贴片间距以及孔径大小对天线隔离度的影响，确定了最佳贴片间距和孔径尺寸，达到了较高的回波损耗和隔离要求：天线两个端口的回波损耗在2.4～2.5 GHz能达到-16 dB以下，在工作频段内双端口隔离度优于-31 dB，可满足阵列天线系统的需要，便于组成大型阵列。且该频段天线具有很大需求及发展空间，研究此频段内的天线有很好的现实意义。与其他设计[2?6]相比，该设计单元在结构上更讲究对称，也更简单；所得结果更加理想，尤其体现在隔离度上。
1 天线设计
本文所设计的天线结构如图1所示，天线采用H型孔径耦合结构，孔径的设计是微带天线设计的关键技术之一，孔径的大小和形状影响着馈电层和辐射层之间的耦合强度。该孔径层由FR4介质覆铜板组成，接地板和馈线分别位于介质板的上表面和下表面。辐射贴片用塑胶螺丝和尼龙柱支撑，位于介质板上方。中间全以空气填充，相当于减小了上层介质板的平均相对介电常数，降低了微带天线的[Q]值，提高了天线的增益[4]。为了减少H型槽所引起的背向辐射，在离接地板约[14]波长处加了一块金属反射板（中间同样用塑胶螺丝和尼龙柱连接和支撑），这也有利于提高天线的增益[5]。设计所选用的介质板材为FR4，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚[h=]1.6 mm。 图1 天线横截面结构图和天线的具体结构
该设计采用的是孔径耦合的馈电方式，这种方式克服了传统馈电方式带来的电感效应和馈电网络的寄生辐射等缺点。其不需要在基片上打孔，便于制作；使得馈电层与辐射层完全隔离，避免了馈电网络的辐射干扰；且易于实现阻抗匹配[6]。在天线设计结构上，该设计采用相同的对称结构，进行正交排布，从而形成双极化特性。
根据缝隙耦合微带天线的传输线法[7]，可初步确定天线的几何尺寸（包括贴片尺寸、2个缝隙尺寸以及馈线长宽）。
2 仿真与实测结果分析
根据上面的布局设计，利用HFSS电磁仿真软件，对天线进行建模、仿真和优化设计。天线仿真模型如图2所示。激励通过Lumped port经微带馈入，该馈电方式易于组成大型阵列。
通过利用微波仿真软件HFSS进行仿真，以及矢量网络分析仪实测，驻波结果如图3（a）所示，得出天线两个端口的回波损耗都在-16 dB以下（两端口回波损耗基本一致），能达到较高的通信要求。隔离度结果如图3（b）所示，可以看出，在整个频段内达到-31 dB以下，具有良好的端口隔离度。从图3中可以看出，可能由于加工、环境等因素，实测结果没有仿真结果理想，但仍能吻合较好，达到较高要求。
图2 天线HFSS仿真模型
图3 天线驻波的仿真及实测结果比较
通过实测分析不同贴片间距以及孔径大小对天线隔离度的影响，该实测是在基本满足回波损耗的条件下进行的，即回波损耗低于-14 dB。
对不同贴片间距和不同孔径尺寸的天线隔离度分别进行研究，当辐射贴片和孔径贴片间距离分别为[d1=]7 mm，[d2=]6 mm，[d3=]5 mm，[d4=]8 mm，[d5=]9 mm，孔径宽分别为[L1=]2 mm，[L2=]3 mm，[L3=]1 mm时，经网络分析仪实测，得出不同贴片间距和不同孔径尺寸天线的端口隔离度见表1。
表1 天线不同贴片间距和不同孔径尺寸的实测端口隔离度 dB
[＼&[d1=]7 mm＼&[d2=]6 mm＼&[d3=]5 mm＼&[d4=]8 mm＼&[d5=]9 mm＼&[L1=]2 mm＼&-31＼&-30＼&-27＼&-27＼&-25＼&[L2=]3 mm＼&-27＼&-25＼&-24＼&-25＼&-23＼&[L3=]1 mm＼&-27＼&-26＼&-25＼&-26＼&-24＼&]
取[d=]7 mm，[L=]2 mm，得出不同孔径贴片和反射板之间距离[D1=]27 mm，[D2=]28 mm，[D3=]29 mm，[D4=]26 mm，[D5=]25 mm时的实测天线端口隔离度见表2。从表中比较可以看出，当辐射贴片和孔径贴片间距离为7 mm，H形孔径宽度为2 mm，辐射贴片和放射板间距离为27 mm时，能获得最大隔离度值，为-31 dB，而且此时回波损耗能够达到-16 dB。
表2 天线不同孔径贴片和反射板之间距离的实测端口隔离度 dB
[[D1=]27 mm＼&[D2=]28 mm＼&[D3=]29 mm＼&[D4=]26 mm＼&[D5=]25 mm＼&-31＼&-30＼&-28＼&-26＼&-25＼&]
工程中常被采用过的有效改善隔离度的措施主要有：阻挡法（即在电磁耦合通道上设置障碍阻挡电磁耦合）、正交极化法（即2副天线采用相互正交的极化）、抵消法（即在两天线之间人为开辟另一耦合通道，使之与原耦合相互抵消，实现隔离效果的增强）以及恰当的天线布局（增大天线间距可提高天线隔离度，但实际上经常遇到限制）[8]。
针对文中所示天线设计，基于微带天线以及双极化天线的独特结构，仅正交极化法和恰当的天线布局能有所体现：该天线采用正交极化法，天线极化正交，位置正交；另外合理恰当的天线布局主要体现在孔径贴片与辐射贴片的距离以及孔径贴片与反射板之间的距离上，这也正是该天线取得较高隔离度的关键。
3 结 论
该高隔离度双极化孔径耦合天线经仿真及实测，其回波损耗及隔离度都能达到较好效果，两个端口的回波损耗在2.4～2.5 GHz能达到-16 dB以下，在工作频段内双端口隔离度优于-31 dB，可作为WiFi天线单元，用于阵列天线。而且2.4～2.5 GHz为各国共同的ISM频段，无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在此频段上，故该频段基站天线有很大需求及发展空间，研究该频段内的天线具有很好的现实意义。而且该天线为双极化天线，结果理想，设计结构简单，成本低廉，易于制作，可满足较高的阵列天线单元要求。
参考文献
[1] 孙维维.WiFi产业发展情况及应用前景探讨[DB/OL]. [2011?09?22]. http：//www.doit.com.cn/article/2011?09?22/3161513.shtml.
[2] 赵春喜，郭维巍，张秋实，等.一种用于WiFi 的新型双极化微带阵列天线[J].科技信息，2010（32）：104?105.
[3] 梁仙灵，钟顺时，汪伟.高隔离度双极化微带天线直线阵的设计[J].电子学报，2005，3（3）：553?555.
[4] 黄盈椿，李倩，吕晓德.高隔离度双极化微带天线阵的设计[J].电子测量技术，2006，29（6）：29?31.
[5] 王永巍，姜兴.用于MIMO系统双极化基站端多天线的设计[J].通信与网络，2010，36（10）：95?98.
[6] 佘力辉，李增瑞.口径耦合多层微带天线单元和阵列设计[J].中国传媒大学学报，2006，13（2）：58?62.
[7] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.
[8] 李杰然，李亮.天线隔离度及其测试方法分析[J].舰船电子对抗，2010，33（5）：51?53.
作者简介：王丹凤 女，1987年出生，湖南益阳人，硕士。主要研究方向为微带天线、滤波器等射频和微波无源器件。
王志红 女，1966年出生，四川成都人，硕士，教授。主要研究方向为电子薄膜与集成器件的表、界面微区电磁性能表征研究。
张海力 男，1978年出生，河南开封人，硕士，讲师。主要研究方向为射频和微波模块、无线通信。
摘 要： 采用多层贴片、垂直双H型孔径耦合结构设计了一种高隔离度双极化孔径耦合微带天线。主要通过实测分析不同贴片间距以及孔径大小对天线隔离度的影响，确定了最佳贴片间距和孔径尺寸。经Agilent E5062A矢量网络分析仪实测，得出天线两个端口的回波损耗在2.4～2.5 GHz能达到-16 dB以下，在工作频段内双端口隔离度优于-31 dB，与仿真结果吻合较好。该设计结构简单，成本低廉，易于制作，且可作为双极化基站阵列天线单元。
关键词： 高隔离度； 孔径耦合； 双极化； 微带天线
中图分类号： TN821?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）23?0085?03
Design of dual?polarized aperture coupling antenna with high isolation
WANG Dan?feng1， WANG Zhi?hong1， ZHANG Hai?li2
（1. School of Microelectronics and Solid?state Electronics， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China；
2. Electromechanical and Rail Transit School， Zhejiang Fashion Institute of Technology， Ningbo 315211， China）
Abstract： A dual?polarized aperture coupling micro?strip antenna with high isolation is introduced which using a structure of multi?layer patches and vertical dual?H shape aperture coupling. The influence of different distances between patches and different aperture sizes in the antenna isolation is analyzed through the test， and the best patches distance and aperture size is determined. The test result of VNA Agilent E5062A shows that the return loss in both ports is lower than -16 dB when the frequency is between 2.4 GHz and 2.5 GHz， and the isolation of dual ports is better than -31 dB in the work frequency range. The test result coincides well with the simulation results. The design is simple， low cost， easy to be made， and can be used as the unit of dual?polarized base station array antennas.
Keywords： high isolation； aperture coupling； dual?polarization； micro?strip antenna
0 引 言
当今，无线网络技术得到越来越广泛的发展。目前最为热门的无线网络技术莫过于长距离无线网络技术3G和近距离无线网络技术WiFi。鉴于WiFi产业的蓬勃发展及广阔的应用前景[1]，本文将设计一个工作在2.4～2.5 GHz频段的高隔离度双极化孔径耦合天线，适用于WiFi阵列天线单元。为实现无缝上网及改善通信质量，近年来，双极化天线逐渐流行，其原因主要是它可以提供极化多样化，以减少接收信号的多径衰落；并且频率复用可以加倍无线通信系统的容量[2]；而且可以将一对正交极化端口分别用作接收端和发射端，实现双工操作。当工作在收发双工模式时，双极化天线同时发射或接收两个正交极化的电磁波，因而要求两种极化端口之间有良好的隔离[3]。天线隔离度是指一个天线发射信号，通过另一个天线接收的信号与该发射信号的比值。改善天线隔离度已成为诸多无线电系统天线中经常遇到的问题。通常要求天线隔离度在-28 dB以下。
本文综合运用孔径耦合技术和双线馈电技术设计出了一种适用于WiFi工作的高隔离度、双极化天线，通过实测分析不同贴片间距以及孔径大小对天线隔离度的影响，确定了最佳贴片间距和孔径尺寸，达到了较高的回波损耗和隔离要求：天线两个端口的回波损耗在2.4～2.5 GHz能达到-16 dB以下，在工作频段内双端口隔离度优于-31 dB，可满足阵列天线系统的需要，便于组成大型阵列。且该频段天线具有很大需求及发展空间，研究此频段内的天线有很好的现实意义。与其他设计[2?6]相比，该设计单元在结构上更讲究对称，也更简单；所得结果更加理想，尤其体现在隔离度上。
1 天线设计
本文所设计的天线结构如图1所示，天线采用H型孔径耦合结构，孔径的设计是微带天线设计的关键技术之一，孔径的大小和形状影响着馈电层和辐射层之间的耦合强度。该孔径层由FR4介质覆铜板组成，接地板和馈线分别位于介质板的上表面和下表面。辐射贴片用塑胶螺丝和尼龙柱支撑，位于介质板上方。中间全以空气填充，相当于减小了上层介质板的平均相对介电常数，降低了微带天线的[Q]值，提高了天线的增益[4]。为了减少H型槽所引起的背向辐射，在离接地板约[14]波长处加了一块金属反射板（中间同样用塑胶螺丝和尼龙柱连接和支撑），这也有利于提高天线的增益[5]。设计所选用的介质板材为FR4，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚[h=]1.6 mm。 图1 天线横截面结构图和天线的具体结构
该设计采用的是孔径耦合的馈电方式，这种方式克服了传统馈电方式带来的电感效应和馈电网络的寄生辐射等缺点。其不需要在基片上打孔，便于制作；使得馈电层与辐射层完全隔离，避免了馈电网络的辐射干扰；且易于实现阻抗匹配[6]。在天线设计结构上，该设计采用相同的对称结构，进行正交排布，从而形成双极化特性。
根据缝隙耦合微带天线的传输线法[7]，可初步确定天线的几何尺寸（包括贴片尺寸、2个缝隙尺寸以及馈线长宽）。
2 仿真与实测结果分析
根据上面的布局设计，利用HFSS电磁仿真软件，对天线进行建模、仿真和优化设计。天线仿真模型如图2所示。激励通过Lumped port经微带馈入，该馈电方式易于组成大型阵列。
通过利用微波仿真软件HFSS进行仿真，以及矢量网络分析仪实测，驻波结果如图3（a）所示，得出天线两个端口的回波损耗都在-16 dB以下（两端口回波损耗基本一致），能达到较高的通信要求。隔离度结果如图3（b）所示，可以看出，在整个频段内达到-31 dB以下，具有良好的端口隔离度。从图3中可以看出，可能由于加工、环境等因素，实测结果没有仿真结果理想，但仍能吻合较好，达到较高要求。
图2 天线HFSS仿真模型
图3 天线驻波的仿真及实测结果比较
通过实测分析不同贴片间距以及孔径大小对天线隔离度的影响，该实测是在基本满足回波损耗的条件下进行的，即回波损耗低于-14 dB。
对不同贴片间距和不同孔径尺寸的天线隔离度分别进行研究，当辐射贴片和孔径贴片间距离分别为[d1=]7 mm，[d2=]6 mm，[d3=]5 mm，[d4=]8 mm，[d5=]9 mm，孔径宽分别为[L1=]2 mm，[L2=]3 mm，[L3=]1 mm时，经网络分析仪实测，得出不同贴片间距和不同孔径尺寸天线的端口隔离度见表1。
表1 天线不同贴片间距和不同孔径尺寸的实测端口隔离度 dB
[＼&[d1=]7 mm＼&[d2=]6 mm＼&[d3=]5 mm＼&[d4=]8 mm＼&[d5=]9 mm＼&[L1=]2 mm＼&-31＼&-30＼&-27＼&-27＼&-25＼&[L2=]3 mm＼&-27＼&-25＼&-24＼&-25＼&-23＼&[L3=]1 mm＼&-27＼&-26＼&-25＼&-26＼&-24＼&]
取[d=]7 mm，[L=]2 mm，得出不同孔径贴片和反射板之间距离[D1=]27 mm，[D2=]28 mm，[D3=]29 mm，[D4=]26 mm，[D5=]25 mm时的实测天线端口隔离度见表2。从表中比较可以看出，当辐射贴片和孔径贴片间距离为7 mm，H形孔径宽度为2 mm，辐射贴片和放射板间距离为27 mm时，能获得最大隔离度值，为-31 dB，而且此时回波损耗能够达到-16 dB。
表2 天线不同孔径贴片和反射板之间距离的实测端口隔离度 dB
[[D1=]27 mm＼&[D2=]28 mm＼&[D3=]29 mm＼&[D4=]26 mm＼&[D5=]25 mm＼&-31＼&-30＼&-28＼&-26＼&-25＼&]
工程中常被采用过的有效改善隔离度的措施主要有：阻挡法（即在电磁耦合通道上设置障碍阻挡电磁耦合）、正交极化法（即2副天线采用相互正交的极化）、抵消法（即在两天线之间人为开辟另一耦合通道，使之与原耦合相互抵消，实现隔离效果的增强）以及恰当的天线布局（增大天线间距可提高天线隔离度，但实际上经常遇到限制）[8]。
针对文中所示天线设计，基于微带天线以及双极化天线的独特结构，仅正交极化法和恰当的天线布局能有所体现：该天线采用正交极化法，天线极化正交，位置正交；另外合理恰当的天线布局主要体现在孔径贴片与辐射贴片的距离以及孔径贴片与反射板之间的距离上，这也正是该天线取得较高隔离度的关键。
3 结 论
该高隔离度双极化孔径耦合天线经仿真及实测，其回波损耗及隔离度都能达到较好效果，两个端口的回波损耗在2.4～2.5 GHz能达到-16 dB以下，在工作频段内双端口隔离度优于-31 dB，可作为WiFi天线单元，用于阵列天线。而且2.4～2.5 GHz为各国共同的ISM频段，无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在此频段上，故该频段基站天线有很大需求及发展空间，研究该频段内的天线具有很好的现实意义。而且该天线为双极化天线，结果理想，设计结构简单，成本低廉，易于制作，可满足较高的阵列天线单元要求。
参考文献
[1] 孙维维.WiFi产业发展情况及应用前景探讨[DB/OL]. [2011?09?22]. http：//www.doit.com.cn/article/2011?09?22/3161513.shtml.
[2] 赵春喜，郭维巍，张秋实，等.一种用于WiFi 的新型双极化微带阵列天线[J].科技信息，2010（32）：104?105.
[3] 梁仙灵，钟顺时，汪伟.高隔离度双极化微带天线直线阵的设计[J].电子学报，2005，3（3）：553?555.
[4] 黄盈椿，李倩，吕晓德.高隔离度双极化微带天线阵的设计[J].电子测量技术，2006，29（6）：29?31.
[5] 王永巍，姜兴.用于MIMO系统双极化基站端多天线的设计[J].通信与网络，2010，36（10）：95?98.
[6] 佘力辉，李增瑞.口径耦合多层微带天线单元和阵列设计[J].中国传媒大学学报，2006，13（2）：58?62.
[7] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.
[8] 李杰然，李亮.天线隔离度及其测试方法分析[J].舰船电子对抗，2010，33（5）：51?53.
作者简介：王丹凤 女，1987年出生，湖南益阳人，硕士。主要研究方向为微带天线、滤波器等射频和微波无源器件。
王志红 女，1966年出生，四川成都人，硕士，教授。主要研究方向为电子薄膜与集成器件的表、界面微区电磁性能表征研究。
张海力 男，1978年出生，河南开封人，硕士，讲师。主要研究方向为射频和微波模块、无线通信。