采用共面波导结构实现双极化槽天线的设计

1、引言

多输入多输出（MIMO）系统可以有效地利用多径信号，成倍地增加信道容量。在当今大容量、高速率的通信中，MIMO系统发挥了重要的作用。MIMO为了减少天线接收信号间的相关性，需要适当增大天线间的距离；当系统的空间受限时，信号相关性增强，导致信道容量减小。为了克服这一问题，多极化天线逐步得到关注，利用高隔离度的极化减少天线的数目，节省空间。

以双极化天线为例，通过单天线的两种极化代替双天线，从而节省两个天线间的距离。在目前的文献中实现双极化最常用的技术是激励两种正交（高隔离度）的模式，进而实现两种正交（高隔离度）的极化。由于两种极化在隔离度上有比较严格的要求，如何提高两种极化馈电端口间的隔离度是双极化天线的难点。

目前有效的技术包括：（1）采用差分馈电的方式，使两种极化的零点重合，避免耦合；（2）在两种极化馈线间采用空气桥的技术，即在馈线交叉的部分减小线宽来减少耦合，同时进行馈电电路的匹配；（3）采用多路平衡的技术，即在端口1和2之间存在多个耦合路径，且使多路耦合信号叠加为0，实现高隔离度；（4）采用不同物理结构馈电，如分别采用探针和耦合方式激励两种极化。以上的方法可以实现的隔离度达到-25dB至-30dB，但是共同的特点是馈电网络结构十分复杂，引入的空气桥、功分器等带来了损耗，天线单元也不够紧凑，造成空间的浪费。

本文针对双极化天线小型化、高隔离度、设计简单的需求，提出一种应用于无线局域网（WLAN）的双极化槽天线，馈线采用共面波导结构，利用其两种正交的模式激励天线单元水平和垂直两种极化。两种极化都工作在2.4GHz，实现的-10dB带宽分别为690MHz（28.75%）、590MHz（24.58%），覆盖WLAN所需频带（2.4GHz-2.484GHz），端口隔离度优于-22dB。最后给出了天线辐射效率和增益的测量结果。

2、天线结构

双极化槽天线的结构及尺寸如图1所示，正面100*80mm2的铜板刻有52*50mm2的矩形槽作为天线辐射单元，天线由厚度为1mm的FR4（εr=4.4）介质板支撑。背面为馈电端口1，为L形的微带线（宽1.9mm）；正面为馈电端口2，通过共面波导内导体（宽1.9mm）探入槽进行馈电。端口1将能量耦合到共面波导，通过缝隙（宽0.7mm）馈电。通过调节两个端口馈线的长度实现匹配。

图1天线结构及尺寸

在单天线上实现双极化，要求天线单元同时支持两种高隔离度的极化模式，矩形槽天线的水平和垂直极化可满足正交的要求，所以选择槽天线作为天线单元。为克服双极化馈电的复杂性，采用共面波导的馈电结构。由于共面波导可以同时支持奇模和偶模，两种模式的电场分布如图2所示，故可以同时激励槽天线的水平和垂直极化。这样两种极化模式和两种馈电模式可以分别在单一的槽天线和共面波导上实现，体现了天线结构的紧凑性。两个端口馈电时，天线上电流分布如图3所示。可以看到，端口1馈电时，共面波导两侧电流反相；端口2馈电时两侧电流为同相。

图2共面波导两种模式电场分布

图3不同端口馈电的电流分布

3、测试结果

双极化槽天线的实物如图4所示。端口1、2的回波损耗和端口间的隔离度测试结果如图5所示，其中S11-10dB的频带宽度为1.92GHz-2.61GHz（28.75%），S22-10dB的频带宽度为2.08GHz-2.67GHz（24.58%），可以覆盖无线局域网（WLAN）的频段2.4GHz-2.484GHz，且在该频段端口隔离度S21优于-22dB。

图4天线实物

图5S参数测试结果

天线由端口1、2馈电时的方向图测试结果如图6、7所示。在图6中，E面（X-Y平面）和H面（Y-Z平面）的3dB波束宽度大约分别为60°和180°，在此波束内的交叉极化分别优于13.3dB和19.8dB；在图7中，E面（Y-Z平面）和H面（X-Y平面）的3dB波束宽度大约分别为120°和50°，在此波束内的交叉极化分别优于17.1dB和10.5dB。端口1、2馈电时在X-Y平面的交叉极化稍大（未优于15dB），但是可以看出两种极化的极点与零点相互对应，二者方向图的积分值在零点左右相互抵消，总积分值接近于零，故两种极化基本不相关。在Y-Z平面内极化隔离度足够高，可认为极化间相关性小，故天线由共面波导两种正交模式激励时，在3-D空间内具有较低的极化相关性。

图62.4GHz时端口1馈电辐射方向图

图72.4GHz时端口2馈电辐射方向图

天线辐射的效率和增益分别由图8、9所示。天线在所需WLAN频段内效率优于83%。增益优于3.2dBi。同时在相邻频段内也具有很高的效率和增益。

图8天线辐射效率

图9天线增益

4、结论

针对于双极化天线高端口隔离度、结构紧凑、设计简单的需求，本文提出一种新颖的应用于WLAN的双极化槽天线，采用简单的结构实现与参考文献中复杂结构相近的性能。天线馈线采用共面波导的结构，利用共面波导两种正交的模式激励水平和垂直两种极化。两种极化工作时都可以覆盖WLAN所需频带（2.4GHz-2.484GHz），水平极化实现的-10dB带宽分别为690MHz（28.75%），垂直极化为590MHz（24.58%），端口隔离度优于-22dB，且在3-D空间内具有较低的极化相关性，适用于MIMO系统空间受限的情况，通过双极化代替双天线。且天线的效率在所需频段上优于83%，增益优于3.2dBi。