1 引言

　　在無(wú)線(xiàn)通信中運(yùn)用MIMO系統(tǒng)可以使系統(tǒng)容量成倍提高。近些年，許多已發(fā)表的文章都提到線(xiàn)性單極化陣列MIMO系統(tǒng)，而多極化天線(xiàn)才剛開(kāi)始受到關(guān)注。A. S. Konanur在他的文中提出一種由圓環(huán)和偶極子構(gòu)成的矢量天線(xiàn)，研究結(jié)果表明多極化天線(xiàn)MIMO陣列比相同天線(xiàn)單元數(shù)的單極化天線(xiàn)陣列的信道容量更大。不同極化方向的分支之間相關(guān)系數(shù)很低，完全可看作相互獨(dú)立的收發(fā)通道。因此，多極化天線(xiàn)可以利用更少的體積實(shí)現(xiàn)更多的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立多徑通道，從而有效地提高系統(tǒng)容量和傳輸速率。

　　利用空間坐標(biāo)系三個(gè)軸方向相互正交的特點(diǎn)，三極化天線(xiàn)可以設(shè)計(jì)出三個(gè)正交方向極化，在有限的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)三個(gè)獨(dú)立的收發(fā)通道。Itoh等人提出了一種由兩個(gè)垂直縫隙和單極子構(gòu)成的三極化天線(xiàn)。Das等人提出一種由雙極化圓形貼片和單極子構(gòu)成的三極化天線(xiàn)。Gray等人在他的文中介紹了一種由雙極化介質(zhì)諧振器和單極子構(gòu)成的三極化天線(xiàn)。

　　本文提出的三極化天線(xiàn)是一種共形天線(xiàn)，強(qiáng)度高、占用空間少，并且實(shí)現(xiàn)了三個(gè)正交的極化，在2.4~2.59GHz范圍內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB。共形結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)高度僅為10.8mm，三個(gè)端口間的隔離度分別優(yōu)于-16dB、-30dB和-40dB。

　　2 天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　采用雙縫耦合對(duì)貼片饋電可以有效地提高端口間的隔離度，本發(fā)明正是采用的這種方法對(duì)圓形貼片進(jìn)行饋電形成雙極化。天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線(xiàn)由兩層介質(zhì)層基片組成，分別為介質(zhì)基片1和介質(zhì)基片2。雙極化圓形貼片附著于基片1上表面。兩個(gè)“H”型縫位于介質(zhì)基片1和基片2之間的接地平面，在雙極化圓形貼片和饋線(xiàn)間進(jìn)行耦合饋電。兩條微帶饋線(xiàn)位于介質(zhì)基片2的下表面，并分別位于相應(yīng)縫隙的下方，饋電形成和X軸，Y軸平行的兩個(gè)方向的正交極化。兩個(gè)“H”形縫隙呈“T”形放置，用于改善兩個(gè)縫隙的隔離度。

　　圖1 三極化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖.(a)俯視圖(b)側(cè)視圖

　　由于圓形貼片上激勵(lì)起的兩個(gè)正交模式在貼片中心處的電場(chǎng)皆為零，所以可以在雙極化圓形貼片中心處加入短路銷(xiāo)釘或其它的短路條件而不對(duì)兩個(gè)正交模產(chǎn)生影響。我們提出的設(shè)計(jì)方案正是利用了這種短路邊界條件，將一根同軸線(xiàn)從貼片中心點(diǎn)穿過(guò)。同軸線(xiàn)的外導(dǎo)體同時(shí)與接地平面和雙極化圓形貼片單元相連。同軸線(xiàn)的內(nèi)導(dǎo)體和一個(gè)圓盤(pán)加載的單極子天線(xiàn)相連。這個(gè)單極子天線(xiàn)激勵(lì)起的電場(chǎng)和Z軸平行。在單極子天線(xiàn)的工作模式中，雙極化圓形貼片被用作大地。

　　本發(fā)明采用了加載單極子天線(xiàn)而不是四分之一波長(zhǎng)單極子天線(xiàn)作為輻射單元，從而有效地減小了單極子的高度。在2.6GHz的工作頻率，四分之一波長(zhǎng)單極子天線(xiàn)需要29mm的高度，傳統(tǒng)的加載單極子天線(xiàn)通常也有15mm的高度。

　　為了保證共形的要求，本發(fā)明采用的加載單極子天線(xiàn)的高度為5mm。隨著加載單極子天線(xiàn)高度的降低，加載圓盤(pán)和大地之間的等效并聯(lián)電容值開(kāi)始增加，從而導(dǎo)致加載單極子天線(xiàn)的端口匹配惡化。為了抵消等效并聯(lián)電容的影響，本發(fā)明在天線(xiàn)輸入端引入了1.5nH的并聯(lián)電感，使并聯(lián)電感、電容構(gòu)成的諧振電路在天線(xiàn)的工作頻段內(nèi)諧振而對(duì)消，從而實(shí)現(xiàn)了純阻特性的天線(xiàn)輸入阻抗。

　　天線(xiàn)的具體尺寸如圖1所示，圖1a和圖1b分別是天線(xiàn)的俯視圖和側(cè)視圖。整個(gè)天線(xiàn)體積為94mm*94mm*10.8mm。介質(zhì)基片1的介電常數(shù)為2.6，介質(zhì)基片2的介電常數(shù)為4.5。兩個(gè)介質(zhì)層由W，L，R，h1和h2定義，“H”型縫隙由ds，ls，la1，la2，wa1，wa2，D定義，加載單極子天線(xiàn)由h0，r定義。

　　實(shí)際天線(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：W=L=94mm，R=40mm，h1=5mm，h2=0.8mm，h0=5mm，r=15.6mm。端口1：ds1=32.5mm，ls1=7mm，la1=17mm，la2=2mm，wa1=1mm， wa2=4mm。端口2：ds2=47mm，ls2=8.8mm，la1=11.4mm，la2=2mm，wa1=1mm，wa2=4mm， D=12.3mm。

　　雙極化圓形貼片激勵(lì)起平行于X，Y軸的兩個(gè)正交方向的電場(chǎng)，加載單極子激勵(lì)起了平行于Z軸方向的場(chǎng)，故該天線(xiàn)形成了三個(gè)方向的極化。

　　3 天線(xiàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

　　圖2給出了天線(xiàn)實(shí)測(cè)的反射系數(shù)，可以看到各端口反射系數(shù)小于-10dB的帶寬范圍測(cè)量結(jié)果分別如下：S11(單極子端口M1)帶寬2.38-2.59GHz，S22(端口P1)帶寬2.38-2.62GHz，S33(端口P2)帶寬2.40-2.61GHz。

　　圖2 三端口反射系數(shù)實(shí)測(cè)曲線(xiàn)　　圖3給出了天線(xiàn)三端口間實(shí)測(cè)的隔離度。可以看出，端口P1和端口M1的隔離度在帶寬范圍內(nèi)小于-16dB，端口P1和端口P2的隔離度在帶寬范圍內(nèi)小于-30dB，端口P2和端口M1在帶寬范圍內(nèi)小于-40dB。測(cè)量結(jié)果表明，槽耦合饋電三極化天線(xiàn)的三個(gè)端口相互隔離效果理想，均可以獨(dú)立工作。

　　圖3 任兩端口的隔離度在頻帶范圍的變化曲線(xiàn)

　　圖4為各端口實(shí)測(cè)方向圖。為了便于方向圖的比較，所有的方向圖都進(jìn)行了相應(yīng)的歸一化。圖(a)(b)為端口P1的XZ、YZ面方向圖。從結(jié)果圖中可知，在XZ面內(nèi)E_theta大于E_phi，而在YZ面內(nèi)，E_phi大于Etheta，則說(shuō)明端口P1輻射的電場(chǎng)平行于X軸。端口P2的XZ、YZ面方向圖為圖(c)(d)，也可以看出端口P2輻射的電場(chǎng)與Y軸平行。圖(e)(f)所示為端口M1的XZ、YZ面方向圖。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，無(wú)論在XZ面還是YZ面，端口M1的E_theta都大于E_phi，說(shuō)明端口M1的電場(chǎng)為平行于Z軸方向?？梢?jiàn)天線(xiàn)有三個(gè)正交的極化模式。

　　圖4 各端口的實(shí)測(cè)方向圖

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)并制造了一種新型的三極化共形天線(xiàn)，通過(guò)在圓形貼片上加載圓形貼片單極子的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)正交方向的極化。研究了該天線(xiàn)的特性并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析非常吻合。三個(gè)端口的帶寬均大于-190MHz，天線(xiàn)的各端口隔離度分別大于-16dB、-30dB和-40dB。此種三極化共形天線(xiàn)外形隱蔽、占用空間少、提高系統(tǒng)容量的優(yōu)點(diǎn)可以在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。