“套种式”阵列排布的高性能天线的设计方案

0 前言 

随着新一代移动通信系统的快速发展，大流量需求急速增加，终端用户不断增长，新型应用层出不穷。在此背景下，多输入多输出技术（MIMO）已经不可逆转地成为当代通信系统中提升频谱效率的核心技术。然而，随着第五代（5G）、第六代（6G）移动通信系统中天线数量急剧增加，频带分布更加拥挤，设计空间进一步压缩，不同天线之间的电磁耦合会严重降低数据传输性能。因此，如何构建小型化高隔离度的多天线系统，从而极大地提高信息的传输速率，是新一代移动通信发展急需解决的重要课题。运用各类电磁结构抑制天线间的耦合是学术界和工业界解决上述问题的一条有效途径。然而，面对新一代通信系统宽频带、多频带、高耦合、多耦合等复杂应用场景，传统去耦方案难以满足新的设计要求。

法动科技拥有多项实现高隔离小型化多天线阵列的新型技术，长期致力于实现各类复杂场景下的去耦技术研究。本期将介绍通过将单极子天线（Monopole）与空气贴片天线（Patch）等距交错排布，形成一种“套种式”的阵列排布方式以提高天线间的隔离度，该方案结构简单，效果显著，适用于大规模高性能天线的设计。

1 “套种式”Monopole-Patch阵列

图1. “套种式”天线阵列排布方式

（a）

(b)

图2. 双单元阵列结构图。(a)俯视图；(b)侧视图

图1展示了“套种式”Monopole-Patch天线阵列的排布方式，由单极子天线与空气贴片天线等距交错排布构成，与传统高隔离天线阵列相比，该阵列主要有如下几个优点。1）由于单极子天线几乎不占用横向尺寸，可实现紧凑型排布（<0.5波长）。2）该阵列由全金属结构构建，物料成本低、损耗小（无介质损耗）、可靠性高、辐射效率高。3）所提出的去耦结构不影响空气贴片天线的交叉极化。图2展示了双单元阵列（两个贴片天线与三个单极子天线）的结构版图，每个贴片天线中间有一条矩形槽，目的是进一步减小天线尺寸。

2 天线去耦机理

(a)

(b)

(c)

图3. 去耦机理。 (a)空气贴片天线之间的耦合示意图； (b)贴片天线与单极子之间的耦合示意图； (c)“套种式”Monopole-Patch阵列不同单元之间的耦合示意图         图3展示了“套种式”天线阵列的去耦机理。图3(a)所示为双单元空气贴片天线间的耦合场，当左边的贴片被激励，右边的贴片被感应，则会形成从激励端指向耦合端的的强耦合场C1（电容耦合）；图3(b)所示为当贴片天线被激励，相邻单极子被感应从而产生的另一种耦合场C2。可以看到在单极子的右侧所形成的的耦合场方向与C1正好相反；图3(c)所示为贴片天线之间套种一个单极子，通过调试单极子的尺寸使单极子右侧的两种耦合场等幅反向，相互抵消，从而实现高隔离度的“套种式”天线阵列。

3关键参数对天线性能的影响

图4.(a) 单极子的长度对隔离度的影响；

(b) 单极子的位置对隔离度的影响

图5. 贴片天线的馈电位置对天线匹配的影响         

图4与图5展示了关键参量对“套种式”天线阵列性能的影响。其中，单极子的尺寸与位置主要决定了隔离度的高低，空气贴片的馈点位置主要决定了端口的匹配程度。该天线阵列整体结构简单，易于调试。

4 实验测试结果

图6. 四单元阵列结构对比图。

(a)传统空气贴片阵列，正面；

(b)“套种式”Monopole-Patch阵列，正面；

(c)传统空气贴片阵列，反面；

(d)“套种式”Monopole-Patch阵列，反面

图7. 测量的S参数对比图。

(a)传统空气贴片阵列；

(b)“套种式”Monopole-Patch阵列

图8. 天线效率对比图

图9. 测量的辐射方向图对比图。

(a)传统空气贴片天线H面；

(b)“套种式”Monopole-Patch 天线H面；

(c)传统空气贴片天线E面；

(d)“套种式”Monopole-Patch 天线E面

图6展示了传统空气贴片阵列与本文所提出的“套种式”Monopole-Patch阵列结构对比图。图7-9展示了两个阵列所测量的各个性能对比图。可见，与传统贴片天线阵列相比，“套种式”Monopole-Patch阵列具有带宽宽、耦合低、效率高、增益高等特点。综上所述，本文所提出的“套种式”Monopole-Patch阵列在MIMO无线通信系统中有着广泛的应用前景。

编辑：黄飞