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

柴雯雯①,②,张晓娟①

(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）

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；共面馈电；凹口矩形贴片

Mutual coupling in the notched rectangular patch antennas

array fed by coplanar microstrip line

Chai Wen-wen①,②, Zhang Xiao-juan①

(①. The key laboratory of high power microwave and electromagnetic radiation,

Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China;

②.Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

Abstract: In this paper, the models of mutual coupling in the notched rectangular patch antenna array are analyzed. The effects on the mutual coupling in antenna array, including the dielectric, the distance between antenna elements, the orientation and resonant lengths of antenna elements, are respectively studied. The methods to reduce the mutual coupling are determined. The experimental results can help to design the large antenna array and also can be applied to the diversity antenna systems.

Key words: mutual coupling; antenna array; coplanar feeding; notched rectangular patch;

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．微带天线在移动通信领域具有很好的应用前景[1][2]，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益及方向性均很难达到要求，而天线阵则可获得上述特性[3]。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，主波束倾斜，零点转移以及栅瓣出现[4]；移动通信中经常使用的多样性天线[5]则要求更小的阵元间距，互耦的存在会减小增益[6]，同时使得多样性天线平均接收能量下降[7]。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Ansoft HFSS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。

国家自然科学基金资助项目：60371003

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 (c)O面耦合

图1 互耦模型

3 天线阵元间的互耦研究

Ansoft HFSS 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，且在贴片单元的馈电点处，通常有相当高的输入阻抗(达200～250?)，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70～170?。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0TM 模式的表面

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0/D λ>0.2时, r ε=1.08的阵元互耦最小，

当0/D λ<0.2时，其互耦量增大，对应r ε=2.2的互耦变小；当0/D λ减小到0.07时，r ε=1.08的

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0TM 的场强很大，这使得E 面的互耦要比H 面大。

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)O 面

图2 介电常数取不同值时互耦随阵元间距的变化曲线

为了验证HFSS 仿真结果的精确度以及上述结论的正确性，我们实际制作了一个22×的

凹口矩形贴片O 面阵，如图3(a)所示，阵元的长 W=0.330λ，

L=0.320λ，阵元间距 D=0.110λ。图3(b)为S 参数随着频率的变化曲线，从图中可以看出，仿真与实测结果较接近，在整个频段内S14，S12分别小于－20dB ，－35dB ，这些互耦参数验证了O 面耦合量最小的结论。

(a) 阵面结构 (b)端口间的互耦

图3

3.3 介质厚度对于阵元间互耦的影响

本节分析了介电常数r ε=2.2，介质厚度分别取0.8，2mm 时，图1中的三种模型的互耦

情况，所得的实验结果如下：当介质厚度固定时对于相同的阵元间距，E 面互耦要大于H 面，而O 面互耦最小；阵元间距取任意值，介质厚度从0.8mm 增加到2mm ，E 面和H 面的互耦均会

增加0.3-6dB，而O面互耦可增加6-18dB。

由以上研究我们可以得出结论：微带天线的介质包括厚度和介电常数，以及天线元不同的分布方式均是影响互耦的主要因素。当介质的厚度增加时，E面，H面，O面的互耦都有不同程度的增加。介质厚度一定，元间距取任意值时，阵元的H面互耦都会随着介电常数的增加而增加；对于E面互耦，在元间距较小时，互耦会随着介电常数的增大而减小，在元间距较大时，互耦会随着介电常数的增大而增大；对于O面互耦，在阵元间距取相同值时其互耦量比前两种减小了10-30dB，实际设计出了一个四元O面阵，验证了此结论的正确性。

4 具有正交辐射场的天线元间的互耦

这部分将研究具有不同谐振长度的天线元间的互耦。对于图1(b)中的天线，如果两个阵元分别选择合适的谐振长度则可以得到正交的空间辐射场，这样的组合在多样性天线中较常见。微带天线设计中，若谐振长度近似为0.5个波长，则辐射的主波束垂直于天线，我们称之为和波束天线；若近似为1个波长，则辐射有两个主波束，其零点垂直于天线，我们称之为差波束天线。

图4(a)为不同谐振长度组合情况下H面的互耦随阵元间距的变化曲线。从图中我们可以看出：在天线对中，若天线元谐振长度相同，则互耦情况近似；若天线对是由不同谐振长度的天线元组成，互耦会极大地减小，这是因为两天线元的辐射场是近似正交的。

(a) H面(b) E面

图4 不同谐振长度组合情况下互耦随阵元间距的变化曲线

图4(b)为不同谐振长度组合情况下E面的互耦随着阵元间距的变化曲线。这种耦合主要来自于表面波场，因此三种情况具有相似的变化趋势，在相同的阵元间距时，互耦量最大的是谐振长度均为１个波长的组合，最小的则是均为0.5个波长的组合。

5 结论

本文对于共面馈电的凹口矩形微带天线间的互耦进行了研究，得到了在天线介质、阵元间距、阵元放置方式、谐振长度组合不同的情况下阵元间的互耦规律。厚度小，介电常数低的介质的使用有利于减小阵元间的互耦，应用正交极化的方式组合天线元可以更大的减小耦

λ，各个端合，从而实现更小的阵元间距；实际设计了一个四元天线阵，阵元间距为0.11

口的互耦均小于-20dB。阵元间的互耦研究有利于大的阵面设计，并可以应用到各种多样性天线中。

参考文献

[1] 张钧．微带天线理论与工程．北京：国防工业出版社，1988.

[2] 陈默等，蝶形天线的计算机仿真设计[J]. 微计算机信息，2006，2-1：255-256.

[3] Haupt R L. Thinned arrays using genetic algorithms. IEEE Trans. Antennas Propagat., 1999, 42(7): 993-999.

[4] Ramirez R. A mutual coupling study of linear polarized microstrip antennas for use in blast wireless communications architecture. IEEE AP-S Int. Symp., 2000, 2: 490-493.

[5] Ramirez R R. A mutual coupling study of circular polarized microstrip antennas with applications to diversity combining mobile communications. IEEE AP-S Int. Symp., 2001, 2: 490-493.

[6] Taga T. Characteristics of space-diversity branch using parallel dipole antennas in mobile radio communications.Elect. Commun., 1993, 76(9): 55-65.

[7] Vaughan R G. Antenna diversity in mobile communications. IEEE Trans.Veh.Technol., 1987, 36(4): 149～172.

创新观点：

本文对于共面馈电的凹口矩形微带天线间的互耦进行了研究，得到了在天线介质、阵元间距、阵元放置方式、谐振长度组合不同的情况下阵元间的互耦规律，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。

作者联系方式：

邮箱：wwchai04@https://www.wendangku.net/doc/9b14465615.html,

手机：138********

通信地址：中国科学院电子学研究所 十室

邮编：100080

作者简介：

柴雯雯: 女,1983年生,籍贯山东，硕士生,主要研究方向天线以及天线馈线的设计.

Chai Wen-wen: Female, Born in 1983 in Shandong Province, Master, Concentrate on the study of antenna and antenna feeding.

张晓娟: 女,1964年生,籍贯山西，副研究员,主要研究方向是微波遥感,天线,计算电磁学,电磁散射. Zhang Xiao-juan: female, born in 1964 in Shanxi Province, Associate professor, Concentrate on the study of microwave, remote sensing, antenna, computational EM, as well as EM scattering.