共面馈电凹口矩形贴片天线间的互耦

《共面馈电凹口矩形贴片天线间的互耦》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、共面馈电凹口矩形贴片天线间的互耦①,②①柴雯雯,张晓娟(①.中国科学院电子学研究所高功率微波与电磁辐射重点实验室，北京100080；②.中科院研究生院，北京100039）来源：微计算机信息摘要：本文分析了共面馈电的凹口矩形微带贴片天线间的互耦模型，具体研究了天线介质包括厚度以及介电常数、不同阵元间距、不同的阵元放置方式、不同谐振长度的天线组合对于互耦的影响，确定了减小阵元间互耦的方法。互耦研究有利于大的阵面设计，并可以应用到空间多样性，极化多样性以及方向图多样性的天线阵设计中。关键词：互耦；天线阵

2、；共面馈电；凹口矩形贴片1引言在现代移动通信领域中，随着通信业的发展，移动体上装载的通信设备越来越多．因此，减小通信设备所占空间、提高通信设备的性能便成为人们所追求的目标．微带天线在移动通[1][2]信领域具有很好的应用前景，具有成本低、姿态矮、重量轻、便于安装等优点。在实际应用中，往往要求天线具有高增益、方向性强及定向辐射等特点，单个微带天线辐射元的增[3]益及方向性均很难达到要求，而天线阵则可获得上述特性。对于具有大量天线元的天线阵，阵列面积的限制可能会导致阵元间的互耦。这种耦合会使得副瓣变坏

3、，主波束倾斜，零点转[4][5]移以及栅瓣出现；移动通信中经常使用的多样性天线则要求更小的阵元间距，互耦的存[6][7]在会减小增益，同时使得多样性天线平均接收能量下降。因此，预测阵元间的互耦并采用有效的方法抑制互耦是非常必要的。本文给出了共面馈电的凹口方形贴片天线的互耦研究。在中心频率为10GHz，频带8-12GHz的范围内研究了天线介质包括厚度以及介电常数、不同阵元间距、不同的阵元放置方式、不同谐振长度的天线组合对于互耦的影响。该研究的目的是在阵元间距一定的情况下实现天线阵元间互耦的最小化。下

4、面按以下几部分进行说明：首先分析了天线阵中的3种互耦模型；其次，利用AnsoftHFSS仿真软件研究了不同条件下天线元间的互耦情况，并实际制作出了多元阵来验证仿真结果的正确性；最后说明了不同谐振长度天线间的互耦情况。2互耦模型天线元按放置方式的不同，可以分为三种互耦模型：E面耦合，H面耦合，以及O面耦合，图1所示。其中E面和H面互耦是较常见的，而Ｏ面耦合，顾名思义指的是正交面耦合，它是在两相邻天线元的辐射场正交的情况下产生的一种耦合形式，常被用到多样性天线系统的设计中。(a)E面耦合(b)H面耦合

5、(c)O面耦合图1互耦模型3天线阵元间的互耦研究AnsoftHFSS是一种基于FEM的全波3D电磁场仿真软件，其拥有强大的天线设计功能，可以精确的计算各种天线参量包括带宽，增益，方向图等，且计算精度已经得到广大中国工程师的认可。这部分首先分析单个天线元的设计，然后利用HFSS研究该天线元间的互耦情况。3.1阵元的设计我们利用微带线对单层介质的凹口贴片单元进行激励，如图1所示。为了获得好的回波损耗特性，对凹口的插入深度，凹口的开口宽度以及微带线的宽度都进行了优化。这种天线的优点是调节方便，且在贴片单

6、元的馈电点处，通常有相当高的输入阻抗(达200～250Ω)，这样在设计复杂的馈电网络的时候，线宽可以有较大的选择范围，相应的阻抗范围为70～170Ω。这些结构特点可以使其非常方便的应用到大的阵面设计中，故本文选择该天线元作为研究对象。3.2介电常数对于阵元间互耦的影响当阵元间距很小时，互耦由近场特性引起，间距较大时表面波场成为引起互耦的主要因素。表面波是集中在微带线接地板表面附近的介质中、并沿接地板表面传播的一种电磁波。表面波的模式由介质的厚度以及介电常数决定，本文所取的介质假定仅有低阶的TM模式

7、的表面0波传播。图2(a)为H面耦合随阵元间距的变化曲线。对于相同的阵元间距，介电常数越大，互耦越大，这是因为对于H面的耦合，表面波场主要是由天线电流的非零Y分量产生，介电常数越大该电流分量就越大，故表面波越强，这就造成了不同介质时的互耦差。图2(b)为E面耦合随着阵元间距的变化曲线。当D/λ>0.2时,ε=1.08的阵元互耦最小，0r当D/λ<0.2时，其互耦量增大，对应ε=2.2的互耦变小；当D/λ减小到0.07时，ε=1.08的0r0r互耦量三者之中最大。E面耦合之所以会产生这种变化趋势是因

8、为，阵元间距较小时，近场是产生互耦的主要因素，介电常数的增大会导致天线的等效谐振长度减小，故近场减弱，互耦降低；当阵元间距较大时，互耦主要是由表面波产生，故介电常数越大，互耦越大；且E面耦合时，表面波模TM的场强很大，这使得E面的互耦要比H面大。0图2(c)为O面耦合随着阵元间距的变化曲线。与E面和H面耦合相比，在取相同的阵元间距时O面互耦减小了10-30dB。这是因为，对于O面的耦合，相邻天线元的辐射场以及表面波场都是近似正交的，故理论上阵元间耦合非常小。(a)H面(b)E面(c