多天线介质去耦方法

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概述

本文对多天线去耦的研究背景和研究现状进行了简要介绍，对现有各种去耦方法进行了概述。其中，介质去耦方案以它的有效性被广泛应用，在研究现状中将会重点介绍。

研究背景

近年来，随着无线通信的快速发展及其用户数的爆发式增长，人们对无线通信速率和质量也有了越来越高的需求。天线是无线通信系统中的重要组成部分，在无线通信系统中，所有信号都经天线传输，因此天线本身性能的好坏将直接影响整个系统的通信质量。

与单天线系统相比，采用多输入多输出系统可以在多个独立路径上同时传输不同的数据流，信道容量能在有限功率和带宽内大幅增加。然而，随着对紧凑型天线阵需求的不断增长，天线阵元的间距越来越小，因此，相邻辐射元件之间的互耦和串扰效应也愈加明显。

互耦通常由自由空间辐射、表面电流及表面波引起，会导致天线阵性能严重下降，使辐射方向图角度偏转、工作带宽减小、效率降低，对无线通信造成严重影响。去耦良好的天线能在天线阵列中发挥巨大作用，隔离度高意味着阵元间距可以尽量小，符合天线的集成化和小型化趋势。因此，在紧凑型天线系统中降低互耦已成为近年来的研究热点，国内外已提出各种各样的去耦方法。其中，介质去耦方案以它的有效性被广泛应用，在研究现状中将会重点介绍。

去耦的研究现状

多种方法可以有效降低互耦，通常将所用方法分为三个大类，分别是削弱耦合、引入中和和天线自去耦。

削弱耦合的常用方法为缺陷地结构^[1]（图1）和电磁带隙结构^[2]（图2），图中的两个实例都实现了 30 dB 以上的深度隔离。图1中缺陷地设计的核心是将地板开槽结构蚀刻在的每个单元周围，且平行于相应单元的辐射边。通过优化每个槽的长宽及位置，该结构可以产生空间带阻效应，改变部分耦合电流的方向，从而降低互耦。由于地板完整性被破坏，缺陷地的方法通常会有辐射泄露问题，导致方向图后瓣增大。图2则是一种由金属贴片阵列组成的平面电磁带隙结构，放置在两个天线单元间用作陷波器和反射器，实现削弱耦合的效果。然而由于电磁带隙结构的尺寸较大，天线单元的馈电点间距超过 0.5λ₀，不适用于紧凑型的多天线去耦。

图1：缺陷地结构^[1]

图2：电磁带隙结构^[2]

中和原有耦合的常用元素为形态各异的中和线^[3]（图3）和寄生单元^[4]（图4）。图中的中和线由两条金属条和一个金属圆盘组成，由于圆盘能流通几种不同长度的去耦电流路径，因此地板平面上在多个频率的耦合电流都能被抵消，从而可以使紧凑型超宽带天线单元之间的隔离提高到 22 dB。而寄生单元则使用贴片天线之间 U 形槽的谐振在近场实现中和去耦，同时加入短截线降低交叉极化。如下图所示，这类去耦方法通常需要额外添加结构，在小型化方面有一定困难。

图3：中和线^[3]

图4：寄生单元^[4]

天线自去耦则通常使用方向图正交实现^{[5], [6]}（图5、6）等。图5利用偶极子和单极子方向图天然的正交性实现去耦，图6则通过简单排布使天线单元的方向图相互错开。这类去耦方法既有能做到极小单元间距的优势，也有受限于排布、通用性不强的短板。

图5：单极子和偶极子方向图正交^[5]

图6：天线排布使方向图正交^[6]

介质去耦研究现状

除上述经典方法以外，还有多种新颖方案也展现出去耦的优越性能。其中，以中和抵消为基础的介质去耦在近年来得到了青睐。众多研究者提出了通过介质来实现去耦的方法。

Min Li 等提出一种在近距离天线单元上放置介质块以减小去耦的简单方法，应用在贴片天线^[7]（图7）和 DRA ^[8]（图8）上的例子说明了该方法的通用性。该方法利用顶部的介质块影响天线内部的电场分布，还能通过控制空间波耦合来抵消表面波耦合，达到隔离度增强的效果。其优势在于，距离半个波长内的天线单元之间能实现 20 dB 的隔离度；而缺点是由于空气间隙的影响，难以精确控制介质块和天线单元之间的距离，造成去耦效果下降。

图7：应用在贴片天线上^[7]

图8：应用在DRA上^[8]

Xiaoming Chen、Luyu Zhao 和 Ping Wang 等团队也使用了在天线单元顶部放置介质板的方法实现去耦。不同的是，Xiaoming Chen 等通过加置多个小介质块实现更好的去耦效果，提升了对角单元的隔离度^{[9], [10]}（图9、10），Luyu Zhao 等选择在介质表面开槽来同时实现隔离度提高和交叉极化抑制^[11]（图11），而 Ping Wang 等则通过在介质基板上打孔使相对介电常数产生变化，从而实现双极化天线的去耦^[12]（图12）。这些方法都需要额外的去耦介质，同时带来了优势和短板。优势为天线单元可以保持原有的匹配和辐射特性（增益和前后比等），不受去耦结构的影响；而不足则是占用了额外空间，不利于小型化。

图9：介质板加置小介质块增强去耦^[9]

图10：分立介质块实现双频去耦^[10]

图11：介质板开槽抑制交叉极化^[11]

图12：介质块打孔改变介电常数^[12]

Yong Mei Pan 团队通过激励起特定高次模，Kwok Wa Leung团队和Fu-Chang Chen 团队则借助电场的叠加原理，在介质中实现相消，实现未激励端口处电场近似为零的效果^[13]–[15]（图13、14、15）。通过使激励模式不能在另一端口被激励，图13的去耦方案在 0.5λ₀ 间距获得了6.1%的隔离带宽；通过入射波和散射波在未激励端口处的叠加相消，图14的纺锤形介质块兼具紧凑和宽带效果，在 0.14λ₀ 间距实现了12.5%的隔离带宽；通过特征模式在未激励端口一侧的相互抵消，图15的方形介质块则实现了间距 0.06λ₀、带宽8.6%的去耦效果。除了纺锤形介质去耦之外，Kwok Wa Leung团队还提出过介质块不谐振的去耦方案^[16]（图16），其馈电点间距也在 0.3λ₀ 之内。在该方案中，使用两种介电常数不同的介质材料进行 3-D 打印，外层为圆极化偏振器和介质去耦器，内层是 DRA，将去耦、极化和辐射集为一体。

图13：激励特定高次模^[13]

图14：入射波和散射波叠加相消^[15]

图15：特征模叠加相消^[14]

图16：一体打印介质实现辐射、去耦和极化^[16]

总结

本文介绍了文献中提出的各种互耦抑制技术，列举实例从尺寸、原理、隔离度等方面进行了比较。总体而言，每种去耦方法都各有优势，但介质去耦方法拥有间距小、隔离高的显著优点，相较之下更适合紧凑型多天线系统的互耦抑制。

不过，当前对去耦的研究多集中在不同方法的发掘，对去耦原理的解释大多局限于定性分析，使得部分去耦方法通用性难以得到验证，或是不能在理论层面指导设计。如果后续的研究中可以增加对去耦机制的定量解释，则可为该方案推广到其他结构打下基础。

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来源：射频学堂

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首次发布时间：2024-02-01