双极化H形印刷缝隙天线外文翻译资料

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双极化H形印刷缝隙天线

摘要：本文提出了一种新型的、具有高隔离度的双极化印刷缝隙天线。该天线有一个H形槽，由一个带有共面波导馈线的宽主槽和两个带有微带馈线的侧槽组成。电场分析表明，端口1的主槽的场波腹位于主槽的末端，而端口2的两个侧槽的场波腹位于它们自身的中间。此外，在非馈线侧槽上引入了微带尺寸的附加导体条，以改善0天线结构的对称性，增强隔离度。设计出来的天线可以在WLAN 2.4-GHz频带中保持谐振。实验结果表明，该天线可以在该频段上达到17％的相对带宽和32 dB的隔离度。同时，最大辐射方向上的共极化比交叉极化大25dB。

关键词：双极化天线，H形槽，微带天线，端口隔离，缝隙天线。

1. 介绍

在现代无线通信系统中，双极化天线被广泛应用于极化分集或多输入多输出（MIMO）方案^[1]，[2]。微带贴片或缝隙天线由于其外形小、易于集成和成本较低的特性而成为移动终端或室内基站系统中双极化应用的有吸引力的候选者。

到目前已经提出了许多双极化缝隙天线。一个具有一个波长周长和两个正交的馈入端口的矩形或圆形槽环，可以激发具有高隔离度和极化纯度的双极化场^[3]，[4]。垂直于地平面的两个四分之一波长的开口槽也可以辐射双极化波，其中主瓣稍微倾斜到开口端方向^[5]。尽管在地平面中正交的两个半波长槽可以用作双极化辐射器，但它们通常用作耦合孔以激发上部贴片以实现宽带双极化^[6]。为了减小孔径面积，提高耦合效果，采用弯曲或纺锤形槽^[7]。作为耦合结构，两个各自的槽也可以正交地并置以构造一个十字形或H形槽^[8]，[9]。

如我们所知，窄矩形槽偶极子具有类似正弦的电场分布，最大电场发生在槽的中部。但是，对于H形槽，由于原窄槽（主槽）端部有两个正交延伸的侧槽，使得主槽内的电场更加均匀，这可以提高辐射效率，缩短主槽的长度^[10]、[11]。在主槽中间带有微带或共面波导（CPW）馈线的H形槽的极化垂直于主槽，侧槽对极化特征影响不大^[10]。为此，本文考虑以两个边槽为正交极化辐射单元，构造了一个共轴双极化H形槽天线。

详细的天线结构见第二节。该天线具有一个H形槽，由一个由CPW供电的加宽主槽和两个由微带线供电的侧槽组成。为了提高结构对称性，在微带线的另一侧增加了一个导体带。天线性能见第三节。为确认附加条带的功能，第四节研究了不带天线和带接地天线的散射参数。结论见第五节。

图1.（a）提出的具有俯视图和侧视图的双极化H形槽天线的几何结构（b）俯视天线原型的照片

1. 设计注意事项

图1表示了了拟议的双极化天线的几何结构。在FR4微波基板的顶层铜层上刻蚀出带有CPW引线的H形槽。微带引线和相同尺寸的附加带印刷在介质基板的相对表面上。根据图1所示的坐标系，由CPW馈电的水平主槽是端口1的辐射元件，其工作方式与传统的单端口H形天线相似，并在垂直方向上辐射线性极化波。由微带线馈电的两个侧槽是端口2的辐射元件，其在水平方向上辐射线性极化波。

图2.当（a）端口1被激励和（b）端口2被激励时，双端口H形缝隙天线的电场分布

1. 端口1天线元件

由于双极化天线的两个端口在相同的工作频率下工作，因此侧槽和主槽的长度均应为大约半个波长。槽可以等效于传输线，其特征阻抗由槽宽[11]确定。由于一个侧槽长度的一半约为四分之一波长，所以在主槽和侧槽之间的连接位置，半侧槽可以等同于主槽的开路。因此，对于端口1，由于侧槽的影响，主槽的两端成为电场波腹，电场节点位于主槽的中间。

图2（a）所示为双极化天线在端口1受到激励时的电场分布。我们可以观察到端口1的半波长谐振路径是半侧槽和半主槽的组合，尽管一侧槽或主槽的长度为半波长。

同时，在侧槽的中间，外部附近的电场非常弱。此外，主槽中的电场方向垂直于主槽。 因此，当微带线穿过侧槽的中间并作为端口2的馈电线在主槽上延伸时，它与主槽的耦合很弱。这意味着端口1和端口2之间的隔离可以在端口1工作时保持在较高的级别。

当端口1被激发时，尽管侧槽中存在驻波场，但每个侧槽的上、下四分之一波长段的电场都处于一个相位。因此，端口1的辐射主要由主插槽决定，并且辐射场可以具有高极化纯度。

1. 端口2的天线元件

对于端口2，天线元件是侧槽。由于侧槽端部短路，电场波腹将位于槽中部，而场节点位于侧槽端部。这意味着侧槽作为半波长槽偶极子工作。

同时，由于主槽中部的CPW，主槽的一半相当于侧槽短路终端的分流四分之一波长传输线。然后，在侧槽与主槽的连接位置，该并联传输线可以等效为满足侧槽场波腹的开路。因此，对于端口2，主槽对侧槽的场分布几乎没有影响。

另一方面，由于只有一个侧槽由微带馈电，当端口2被馈电时，微带侧的电场将首先被激励。之后，磁场耦合到主槽中并激发另一侧槽的共振辐射。因此，对于端口2，主槽仅用作两个侧槽之间的耦合器，并且主槽中间的场最小。当端口2被激励时，端口1的耦合很弱，并且可以保持两个端口之间的高隔离。同时，由于辐射主要由侧槽贡献，因此端口2的极化纯度也较大。然而，由于微带馈线仅在一侧槽上工作，馈电侧槽中的电场将大于另一侧槽中的电场，因此主瓣将在一定程度上倾斜到馈电侧。同时，两个侧槽之间的电场差将降低端口之间的隔离。

对于单元件天线，平衡馈电结构可以改善场分布的对称性，并在馈电方向上集中电场^[12]。 然而，对于端口2，辐射机制可以解释为具有两个元件的天线阵列，这两个元件具有半波长间隔和90°电流相位差。对于这种二元阵列，采用平衡馈电的方法不容易消除两个元件之间的电场差。

然而，如果在非馈送侧槽上对称地引入具有微带线的相同尺寸的金属条带，则由于耦合效应可以增强该侧槽中的电场。 同时，端口1的天线结构对称性也得到改善。因此，我们在所提出的天线中添加这样的条带，如图1所示。图2示出了当端口1或端口2被激励时的电场分布。结果验证了我们的分析。

1. 结构参数

根据图1所示的天线结构，针对WLAN 2.4-GHz频段，优化结构参数，并使用蚀刻技术制造原型天线。对于厚度为1.5mm，介电常数为2.2，损耗角正切为0.002的微波基板，优化后的天线尺寸列于表1中。

表1 拟议天线原型的尺寸（所有尺寸均以毫米为单位）

对于天线原型，主槽长度lm为48mm，侧槽长度ls为46mm。在考虑基板效应时，它们都接近半波长。这意味着主槽的缩短效应对双极化天线不起作用。

同时，参数敏感性分析表明，主槽宽度Wm对端口隔离影响较大，而其他参数对端口隔离影响较小。当Wm变大时，隔离度会降低，如图3所示。

频率（GHz）

图3.不同主槽宽度下的隔离程度

1. 天线性能

使用双端口矢量网络分析仪（AV3629D）测量双极化原型天线的散射参数，并使用SATIMO Starlab天线测量系统测量方向性。

图4显示了所提出的天线原型的端口散射参数。我们可以观察到，对于端口1，反射系数小于10db的模拟频率范围为2.24到2.66GHz，相对带宽约为17.1%。在这个波段，最强的共振频率是2.46GHz。测量波段与模拟结果吻合较好。由于主插槽宽，端口1具有宽带性能。

频率（GHz）

图4.提出的天线原型的端口散射参数

对于侧槽天线，模拟频带为2.21至2.60 GHz，相对带宽为16.2％，而测量范围为2.11至2.72 GHz，相对带宽为25.4％。尽管测量频带远大于模拟，但它们对频率的变化是相似的，并且最强的谐振频率都是2.42 GHz。模拟和测量之间差异的一个原因是在模拟中不考虑介电损耗。另一个重要原因是制造误差。

侧槽天线的大带宽可归因于两个槽元件的耦合。实际上，对于端口2，天线呈现双谐振特性，较高频率的谐振强度强于较低频率的谐振强度，如图4所示。

由于双端口网络的互易性，仅对隔离S21进行了测试，如图4所示。我们可以看到，在2.24到2.60 GHz的频率范围内，端口之间的仿真隔离度大于29 dB，并且频率的隔离变化很小。在2.24-2.66 GHz频段内的测量隔离度高于32 dB。

图5显示了2.45 GHz处两个端口的测量辐射方向图。我们可以观察到两个端口的主光束都指向z方向。对于端口1，共极化波在y方向和最大辐射方向上呈线性极化，测量的共极化比交叉极化大27分贝左右。这意味着达到了高极化纯度。端口1的测量辐射效率和增益分别为92%和5.2 dB。

图5.双极化天线原型在2.45GHz下测量的辐射模式（a）端口1的E面（b）端口1的H面（c）端口2的E平面（d）端口2的H平面

对于端口2，共极化场沿X轴方向为线性极化，其电平比最大辐射下的交叉极化大25分贝左右。端口2的测量辐射效率和增益分别为95%和4.7dBi。

图6.图1（b）所示天线的端口散射参数的模拟结果，其中移除了附加条带

四、附加带的作用

为了验证附加带对双极化天线性能的影响，对无附加带天线和接地带天线的散射参数进行了详细的比较。

A.无附加条带

根据图1所示的结构和表一所列的尺寸，模拟了无附加条带的双极化天线的散射参数，结果如图6所示。通过与图4的结果比较，我们可以看出附加条带对端口1的工作频带没有影响。对于端口2，移除条带可以将较强的谐振点移动到较低的频段，但是整个工作频段几乎保持不变。

端口1情况的原因是谐振频率仅由主槽决定，侧槽上方的附加条带不能改变主槽的横向谐振条件。然而，对于端口2，当移除附加条带时，在双共振带的较低频率下发生更好的阻抗匹配。事实上，在没有附加条带的情况下，边槽之间的相互耦合较弱，非边槽中的电场也会减小。这意味着低频共振是由馈入侧的槽决定的，而另一侧的槽则是在该频率下的次准谐振腔。同时，两侧槽内电场分布的不对称性在一定程度上降低了端口隔离，如图6所示。

B.带接地带

虽然附加条带不能作为平衡进给的另一个端口，但它位于差分端口的反相点的位置。 因此，我们将附加条带在其末端接地，使其类似于平衡进给口。

然而，如模拟所示（这里未示出由于空间限制），接地条的散射参数变化几乎与没有附加条带的情况相同。 由于从短路点到刚好在四分之一波长的侧槽上方的位置的24.5mm的条带长度，等效的开路出现在槽的正上方的条带位置。因此，添加接地条具有与没有用于非供给侧槽的条带相同的条件，两种情况下的散射参数也会发生相同的变化。

五、结论

使用具有主槽和两个侧槽的H形槽结构，提出了一种新颖的共置双极化印刷槽天线.主槽是槽中间的电场节点的天线元件，两个侧槽是正交极化的天线元件，它们相互耦合90°的相位差。通过在非供给侧槽上添加导体条，可以进一步增强两个端口之间的隔离。 以2.45 GHz为中心的原型天线可以在超过WLAN频带要求的宽带中工作，并且在该频带中，端口之间的隔离高于32 dB。