0、引言

當今，無線網絡技術得到越來越廣泛的發展。目前最為熱門的無線網絡技術莫過于長距離無線網絡技術3G 和近距離無線網絡技術WiFi.鑒于WiFi 產業的蓬勃發展及廣闊的應用前景，本文將設計一個工作在2.4~2.5 GHz頻段的高隔離度雙極化孔徑耦合天線，適用于WiFi陣列天線單元。為實現無縫上網及改善通信質量，近年來，雙極化天線逐漸流行，其原因主要是它可以提供極化多樣化，以減少接收信號的多徑衰落;并且頻率復用可以加倍無線通信系統的容量;而且可以將一對正交極化端口分別用作接收端和發射端，實現雙工操作。當工作在收發雙工模式時，雙極化天線同時發射或接收兩個正交極化的電磁波，因而要求兩種極化端口之間有良好的隔離。天線隔離度是指一個天線發射信號，通過另一個天線接收的信號與該發射信號的比值。

改善天線隔離度已成為諸多無線電系統天線中經常遇到的問題。通常要求天線隔離度在-28 dB以下。

本文綜合運用孔徑耦合技術和雙線饋電技術設計出了一種適用于WiFi工作的高隔離度、雙極化天線，通過實測分析不同貼片間距以及孔徑大小對天線隔離度的影響，確定了最佳貼片間距和孔徑尺寸，達到了較高的回波損耗和隔離要求：天線兩個端口的回波損耗在2.4~2.5 GHz能達到-16 dB 以下，在工作頻段內雙端口隔離度優于-31 dB,可滿足陣列天線系統的需要，便于組成大型陣列。且該頻段天線具有很大需求及發展空間，研究此頻段內的天線有很好的現實意義。與其他設計相比，該設計單元在結構上更講究對稱，也更簡單;所得結果更加理想，尤其體現在隔離度上。

1、天線設計

本文所設計的天線結構如圖1所示，天線采用H型孔徑耦合結構，孔徑的設計是微帶天線設計的關鍵技術之一，孔徑的大小和形狀影響著饋電層和輻射層之間的耦合強度。該孔徑層由FR4介質覆銅板組成，接地板和饋線分別位于介質板的上表面和下表面。輻射貼片用塑膠螺絲和尼龍柱支撐，位于介質板上方。中間全以空氣填充，相當于減小了上層介質板的平均相對介電常數，降低了微帶天線的Q 值，提高了天線的增益。為了減少H型槽所引起的背向輻射，在離接地板約1 4 波長處加了一塊金屬反射板(中間同樣用塑膠螺絲和尼龍柱連接和支撐)，這也有利于提高天線的增益。設計所選用的介質板材為FR4,其相對介電常數為4.4,損耗角正切為0.02,厚h = 1.6 mm.

該設計采用的是孔徑耦合的饋電方式，這種方式克服了傳統饋電方式帶來的電感效應和饋電網絡的寄生輻射等缺點。其不需要在基片上打孔，便于制作;使得饋電層與輻射層完全隔離，避免了饋電網絡的輻射干擾;且易于實現阻抗匹配。在天線設計結構上，該設計采用相同的對稱結構，進行正交排布，從而形成雙極化特性。

根據縫隙耦合微帶天線的傳輸線法，可初步確定天線的幾何尺寸(包括貼片尺寸、2 個縫隙尺寸以及饋線長寬)。

2、仿真與實測結果分析

根據上面的布局設計，利用HFSS電磁仿真軟件，對天線進行建模、仿真和優化設計。天線仿真模型如圖2所示。激勵通過Lumped port經微帶饋入，該饋電方式易于組成大型陣列。

通過利用微波仿真軟件HFSS進行仿真，以及矢量網絡分析儀實測，駐波結果如圖3(a)所示，得出天線兩個端口的回波損耗都在-16 dB 以下(兩端口回波損耗基本一致)，能達到較高的通信要求。隔離度結果如圖3(b)所示，可以看出，在整個頻段內達到-31 dB 以下，具有良好的端口隔離度。從圖3中可以看出，可能由于加工、環境等因素，實測結果沒有仿真結果理想，但仍能吻合較好，達到較高要求。

通過實測分析不同貼片間距以及孔徑大小對天線隔離度的影響，該實測是在基本滿足回波損耗的條件下進行的，即回波損耗低于-14 dB.

對不同貼片間距和不同孔徑尺寸的天線隔離度分別進行研究，當輻射貼片和孔徑貼片間距離分別為d1 =7 mm,d2 = 6 mm,d3 = 5 mm,d4 = 8 mm,d5 = 9 mm,孔徑寬分別為L1 = 2 mm,L2 = 3 mm,L3 = 1 mm時，經網絡分析儀實測，得出不同貼片間距和不同孔徑尺寸天線的端口隔離度見表1.

取d = 7 mm,L = 2 mm,得出不同孔徑貼片和反射板之間距離D1 = 27 mm,D2 = 28 mm,D3 = 29 mm,D4 =26 mm,D5 = 25 mm 時的實測天線端口隔離度見表2.

從表中比較可以看出，當輻射貼片和孔徑貼片間距離為7 mm,H形孔徑寬度為2 mm,輻射貼片和放射板間距離為27 mm時，能獲得最大隔離度值，為-31 dB,而且此時回波損耗能夠達到-16 dB.

工程中常被采用過的有效改善隔離度的措施主要有：阻擋法(即在電磁耦合通道上設置障礙阻擋電磁耦合)、正交極化法(即2副天線采用相互正交的極化)、抵消法(即在兩天線之間人為開辟另一耦合通道，使之與原耦合相互抵消，實現隔離效果的增強)以及恰當的天線布局(增大天線間距可提高天線隔離度，但實際上經常遇到限制)。

針對文中所示天線設計，基于微帶天線以及雙極化天線的獨特結構，僅正交極化法和恰當的天線布局能有所體現：該天線采用正交極化法，天線極化正交，位置正交;另外合理恰當的天線布局主要體現在孔徑貼片與輻射貼片的距離以及孔徑貼片與反射板之間的距離上，這也正是該天線取得較高隔離度的關鍵。

3、結論

該高隔離度雙極化孔徑耦合天線經仿真及實測，其回波損耗及隔離度都能達到較好效果，兩個端口的回波損耗在2.4~2.5 GHz能達到-16 dB以下，在工作頻段內雙端口隔離度優于-31 dB,可作為WiFi天線單元，用于陣列天線。而且2.4~2.5 GHz 為各國共同的ISM 頻段，無線局域網、藍牙、ZigBee等無線網絡均可工作在此頻段上，故該頻段基站天線有很大需求及發展空間，研究該頻段內的天線具有很好的現實意義。而且該天線為雙極化天線，結果理想，設計結構簡單，成本低廉，易于制作，可滿足較高的陣列天線單元要求。