1、引言

多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)可以有效地利用多徑信號(hào)，成倍地增加信道容量。在當(dāng)今大容量、高速率的通信中，MIMO系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。MIMO為了減少天線(xiàn)接收信號(hào)間的相關(guān)性，需要適當(dāng)增大天線(xiàn)間的距離；當(dāng)系統(tǒng)的空間受限時(shí)，信號(hào)相關(guān)性增強(qiáng)，導(dǎo)致信道容量減小。為了克服這一問(wèn)題，多極化天線(xiàn)逐步得到關(guān)注，利用高隔離度的極化減少天線(xiàn)的數(shù)目，節(jié)省空間。

以雙極化天線(xiàn)為例，通過(guò)單天線(xiàn)的兩種極化代替雙天線(xiàn)，從而節(jié)省兩個(gè)天線(xiàn)間的距離。在目前的文獻(xiàn)中實(shí)現(xiàn)雙極化最常用的技術(shù)是激勵(lì)兩種正交（高隔離度）的模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩種正交（高隔離度）的極化。由于兩種極化在隔離度上有比較嚴(yán)格的要求，如何提高兩種極化饋電端口間的隔離度是雙極化天線(xiàn)的難點(diǎn)。

目前有效的技術(shù)包括：（1）采用差分饋電的方式，使兩種極化的零點(diǎn)重合，避免耦合；（2）在兩種極化饋線(xiàn)間采用空氣橋的技術(shù)，即在饋線(xiàn)交叉的部分減小線(xiàn)寬來(lái)減少耦合，同時(shí)進(jìn)行饋電電路的匹配；（3）采用多路平衡的技術(shù)，即在端口1和2之間存在多個(gè)耦合路徑，且使多路耦合信號(hào)疊加為0，實(shí)現(xiàn)高隔離度；（4）采用不同物理結(jié)構(gòu)饋電，如分別采用探針和耦合方式激勵(lì)兩種極化。以上的方法可以實(shí)現(xiàn)的隔離度達(dá)到-25dB至-30dB，但是共同的特點(diǎn)是饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，引入的空氣橋、功分器等帶來(lái)了損耗，天線(xiàn)單元也不夠緊湊，造成空間的浪費(fèi)。

本文針對(duì)雙極化天線(xiàn)小型化、高隔離度、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的需求，提出一種應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）的雙極化槽天線(xiàn)，饋線(xiàn)采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用其兩種正交的模式激勵(lì)天線(xiàn)單元水平和垂直兩種極化。兩種極化都工作在2.4GHz，實(shí)現(xiàn)的-10dB帶寬分別為690MHz（28.75%）、590MHz（24.58%），覆蓋WLAN所需頻帶（2.4GHz-2.484GHz），端口隔離度優(yōu)于-22dB。最后給出了天線(xiàn)輻射效率和增益的測(cè)量結(jié)果。

2、天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

雙極化槽天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示，正面100*80mm2的銅板刻有52*50mm2的矩形槽作為天線(xiàn)輻射單元，天線(xiàn)由厚度為1mm的FR4（εr=4.4）介質(zhì)板支撐。背面為饋電端口1，為L(zhǎng)形的微帶線(xiàn)（寬1.9mm）；正面為饋電端口2，通過(guò)共面波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體（寬1.9mm）探入槽進(jìn)行饋電。端口1將能量耦合到共面波導(dǎo)，通過(guò)縫隙（寬0.7mm）饋電。通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)端口饋線(xiàn)的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)匹配。

圖1天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及尺寸

在單天線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)雙極化，要求天線(xiàn)單元同時(shí)支持兩種高隔離度的極化模式，矩形槽天線(xiàn)的水平和垂直極化可滿(mǎn)足正交的要求，所以選擇槽天線(xiàn)作為天線(xiàn)單元。為克服雙極化饋電的復(fù)雜性，采用共面波導(dǎo)的饋電結(jié)構(gòu)。由于共面波導(dǎo)可以同時(shí)支持奇模和偶模，兩種模式的電場(chǎng)分布如圖2所示，故可以同時(shí)激勵(lì)槽天線(xiàn)的水平和垂直極化。這樣兩種極化模式和兩種饋電模式可以分別在單一的槽天線(xiàn)和共面波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)了天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊性。兩個(gè)端口饋電時(shí)，天線(xiàn)上電流分布如圖3所示。可以看到，端口1饋電時(shí)，共面波導(dǎo)兩側(cè)電流反相；端口2饋電時(shí)兩側(cè)電流為同相。

圖2共面波導(dǎo)兩種模式電場(chǎng)分布

圖3不同端口饋電的電流分布

3、測(cè)試結(jié)果

雙極化槽天線(xiàn)的實(shí)物如圖4所示。端口1、2的回波損耗和端口間的隔離度測(cè)試結(jié)果如圖5所示，其中S11-10dB的頻帶寬度為1.92GHz-2.61GHz（28.75%），S22-10dB的頻帶寬度為2.08GHz-2.67GHz（24.58%），可以覆蓋無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）的頻段2.4GHz-2.484GHz，且在該頻段端口隔離度S21優(yōu)于-22dB。

圖4天線(xiàn)實(shí)物

圖5S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

天線(xiàn)由端口1、2饋電時(shí)的方向圖測(cè)試結(jié)果如圖6、7所示。在圖6中，E面（X-Y平面）和H面（Y-Z平面）的3dB波束寬度大約分別為60°和180°，在此波束內(nèi)的交叉極化分別優(yōu)于13.3dB和19.8dB；在圖7中，E面（Y-Z平面）和H面（X-Y平面）的3dB波束寬度大約分別為120°和50°，在此波束內(nèi)的交叉極化分別優(yōu)于17.1dB和10.5dB。端口1、2饋電時(shí)在X-Y平面的交叉極化稍大（未優(yōu)于15dB），但是可以看出兩種極化的極點(diǎn)與零點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)，二者方向圖的積分值在零點(diǎn)左右相互抵消，總積分值接近于零，故兩種極化基本不相關(guān)。在Y-Z平面內(nèi)極化隔離度足夠高，可認(rèn)為極化間相關(guān)性小，故天線(xiàn)由共面波導(dǎo)兩種正交模式激勵(lì)時(shí)，在3-D空間內(nèi)具有較低的極化相關(guān)性。

圖62.4GHz時(shí)端口1饋電輻射方向圖

圖72.4GHz時(shí)端口2饋電輻射方向圖

天線(xiàn)輻射的效率和增益分別由圖8、9所示。天線(xiàn)在所需WLAN頻段內(nèi)效率優(yōu)于83%。增益優(yōu)于3.2dBi。同時(shí)在相鄰頻段內(nèi)也具有很高的效率和增益。

圖8天線(xiàn)輻射效率

圖9天線(xiàn)增益

4、結(jié)論

針對(duì)于雙極化天線(xiàn)高端口隔離度、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的需求，本文提出一種新穎的應(yīng)用于WLAN的雙極化槽天線(xiàn)，采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與參考文獻(xiàn)中復(fù)雜結(jié)構(gòu)相近的性能。天線(xiàn)饋線(xiàn)采用共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，利用共面波導(dǎo)兩種正交的模式激勵(lì)水平和垂直兩種極化。兩種極化工作時(shí)都可以覆蓋WLAN所需頻帶（2.4GHz-2.484GHz），水平極化實(shí)現(xiàn)的-10dB帶寬分別為690MHz（28.75%），垂直極化為590MHz（24.58%），端口隔離度優(yōu)于-22dB，且在3-D空間內(nèi)具有較低的極化相關(guān)性，適用于MIMO系統(tǒng)空間受限的情況，通過(guò)雙極化代替雙天線(xiàn)。且天線(xiàn)的效率在所需頻段上優(yōu)于83%，增益優(yōu)于3.2dBi。