超寬帶小尺寸介質諧振器天線

曾小虎，葛悅禾

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021）

天線小型化和帶寬展寬技術是天線設計的一個重要內容.以往天線工程師為了減小天線尺寸，不得不使用窄帶天線.隨著無線系統性能的不斷提高，工程師們一直嘗試設計具有小尺寸和寬帶性能的天線，而介質諧振器天線是一個較好的選擇.早在1983年，介質諧振器就被用作輻射單元［1］.之前，無負載的高Q值介質諧振器在微波電路中已經廣泛運用.介質諧振器的帶寬、高輻射效率、極化方式和低剖面等性能都已得到深入研究［2－6］.使用高介電常數的介質諧振器可使天線小型化，但會減小天線的帶寬.因此，需要額外的技術來減小介質諧振器天線尺寸［2，7－9］.為了降低天線的復雜度和減小天線尺寸，許多研究人員通過在介質諧振器和地面之間加入多層介質板來拓寬天線的帶寬.研究表明：在介質諧振器底部和地面之間引入一層低介電常數介質板，可有效輻射并提高帶寬［7，10］.在前期設計的超寬帶介質諧振器天線［7］中，超寬帶范圍內有多個頻率點的駐波比超過2，使天線在這些頻率點不能很好匹配.本文運用新技術改進超寬帶介質諧振器的阻抗匹配，并進一步提高天線的超寬帶帶寬.

圖1 介質諧振器天線的結構Fig.1 Structure of the dielectric resonator antenna

1 超寬帶介質諧振器天線的設計

改進文獻［7］的疊層超寬帶介質諧振器天線，進一步提高帶寬和阻抗匹配.文中設計的介質諧振器天線結構，如圖1所示.圖1中：a為12mm；b為8 mm；c＋h1為12mm；d為3mm；h－d為1.9mm；空氣縫隙的尺寸gd，gh，h1，以及與探針短接的正方形金屬貼片的邊長s為待定參數.介質諧振器天線由矩形介質諧振器和低介電常數的薄介質片以及金屬地面組成.介質諧振器和介質片堆疊在地面上方，金屬探針通過地面，穿過介質片，伸入介質諧振器進行饋電.同時，在介質諧振器下表面或者介質片上表面探針位置處放置1個正方形的薄金屬片，與探針短接.介質諧振器一側的下部被切去1個四面體，當其安置在薄介質片上時，切去的部分成為空氣間隙.在空氣間隙一側短接1個金屬導體板，該導體板短接地面.

在介質諧振器和地面之間插入低介電常數薄介質片可使介質諧振器和地面隔離，從而提高天線的帶寬，降低介質諧振器的Q值.在一側放置短接地面的金屬板，可以視為1個等效地面.根據鏡像原理，介質諧振器天線的尺寸在某些工作模式下可以減小一半［7］.在薄介質片之間引入空氣間隙，在介質片上表面加入與探針短接的金屬片，不僅增加了天線帶寬，還提高了天線帶內的阻抗匹配.

對設計的介質諧振器天線進行仿真實驗，仿真結果均出自商業軟件Ansoft HFSS.金屬貼片和空氣間隙對天線駐波比（VSWR）的影響，如圖2所示.由圖2可知：當不加金屬貼片和空氣間隙時，在3～10.6GHz頻帶內，8，10GHz附近的阻抗匹配不好；當加金屬貼片，不加空氣間隙時，10GHz附近的阻抗匹配不好；當不加金屬貼片，加空氣間隙時，阻抗匹配性能可以接受，但由VSWR＜2確定的帶寬無法覆蓋到10.6GHz；當加金屬貼片和空氣間隙時，在3～11.5GHz范圍內，VSWR＜2，且阻抗匹配好于上述3種情況.

仿真研究發現：當正方形貼片邊長s為3mm時，結果較好；當s在3mm附近微小變化時，對帶寬和阻抗匹配結果影響不大.因此，s取3mm.當gh為1mm，h1為2mm時，gd對駐波比的影響，如圖3所示.由圖3可知：當gd為7～9mm時，天線的阻抗帶寬均較好，且gd越大，天線在高頻匹配越好.當gd為7mm，h1為2mm時，gh對駐波比的影響，如圖4（a）所示.由圖4（a）可知：當gh為3mm時，天線高頻段阻抗匹配較好；而取其他值時，天線在高頻時匹配較差.當gd為7mm，gh為3mm時，h1對駐波比的影響，如圖4（b）所示.由圖4（b）可知：當h1為2mm時，天線頻帶內匹配性能較好.

圖2 金屬貼片和空氣間隙對駐波比的影響Fig.2 Effects of the metallic patch and the air gap on the VSWR

圖3 gd對駐波比的影響 Fig.3 Effects of gdon the VSWR

圖4 gh，h1對駐波比的影響Fig.4 Effects of ghand h1on the VSWR

2 設計實例和結果

圖5 介質諧振器天線實物Fig.5 Prototype of the proposed dielectric resonator antenna

由上文分析可得介質諧振器天線的最佳參數：a為12mm；b為8mm；c為12mm；d為3mm；h為5.2mm；gh為1mm；gd為7mm，h1為2mm.介質諧振器和薄介質片的材料分別為Rogers TMM10，Rogers Duroid 5880，其介電常數分別為9.2，2.2.天線地面選用厚度為1 mm的鋁板，尺寸為100mm×100mm.介質諧振器天線實物，如圖5所示.天線的一面用銅箔短路到地面.天線的阻抗匹配和輻射特性分別用E5071C型矢量網絡分析儀（美國安捷倫科技有限公司）和近場測試系統（美國NSI公司）進行測試.

天線駐波比的測量值與仿真值，如圖6所示.理論上駐波比小于2的帶寬為2.95～11.70GHz，相對帶寬超過118%.在整個頻段內測得的駐波比接近仿真值.其中的誤差來自于介質諧振器的加工誤差.由于Rogers TMM10是一種陶瓷材料，較脆，在加工空氣縫隙和饋電探針的孔隙時存在較大的誤差.聯邦通信委員會（FCC）超寬頻范圍內天線增益的測量值，以及由商業軟件CST得出的增益理論值，如圖7所示.由圖7可知：在頻帶范圍內，增益測量值和仿真值都在4～7dBi.

實測的輻射方向，如圖8所示.由圖8可知：在XOZ平面，方向圖在上述頻率下有相似之處；在YOZ平面，隨著頻率的不同，方向圖有一些改變.因為隨著頻率的掃描，不同的諧振模式占據了主導地位.顯然，最大功率輻射方向為上半球，所以這種類型的天線可用于定向和全向無線通信設備類型.

圖6 天線駐波比的仿真值和測量值 Fig.6 Measured and simulated VSWR

圖7 介質諧振器天線增益的仿真值和測量值Fig.7 Measured and simulated gain of the dielectric resonator antenna

圖8 實測方向圖Fig.8 Measured radiation patterns

3 結束語

加入低介電常數薄介質片，在介質諧振器內部引入空氣間隙，增加介質諧振器天線的工作帶寬.在天線一側加入短接地面金屬壁，減少一半以上的天線體積.通過適當的優化參數，介質諧振器天線具有超寬帶、高增益和低交叉極化的法向輻射的特點.設計實例的實測帶寬可覆蓋完整的FCC頻帶，其2∶1的駐波比帶寬為4∶1（相對帶寬約118%）.該天線具有較小的橫截面尺寸12mm×8mm（0.124λ0×0.083λ0），高度為15.0mm（0.155λ0）.

［1］LONG S，MCALLISTER M，SHEN L.The resonant cylindrical dielectric cavity antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1983，31（3）：406－412.

［2］KISHK A A，AHN B，KAJFEZ D.Broadband stacked dielectric resonator antennas［J］.Electronics Letters，1989，25（18）：1232－1233.

［3］SHUM S M，LUK K M.Characteristics of dielectric ring resonator antenna with an air gap［J］.Electronics Letters，1994，30（4）：277－278.

［4］FAN Z，ANTAR Y M M，ITTIPIBOON A，et al.Parasitic coplanar three－element dielectric resonator antenna subarray［J］.Electronics Letters，1996，32（9）：789－790.

［5］KISHK A A.Experimental study of broadband embedded dielectric resonator antennas excited by a narrow slot［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2005，22（4）：79－81.

［6］PETOSA A.Dielectric resonator antenna handbook［M］.Boston：Artech House，2007：153－204.

［7］GE Yue－he，ESSELLE K P，BIRD T S.Compact dielectric resonator antennas with ultrawide 60%－110%bandw－idth［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59（9）：3445－3448.

［8］MONGIA R K，ITTIPIBOON A，ANTAR Y M M，et al.A half－split cylindrical dielectric resonator antenna using slot－coupling［J］.IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1993，3（2）：38－39.

［9］KISHK A A.Wide－band truncated tetrahedron dielectric resonator antenna excited by a coaxial probe［J］.Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（10）：2913－2917.

［10］葛悅禾，湯煒，張海.寬帶疊層矩形介質諧振器天線的設計與仿真［J］.華僑大學學報：自然科學版，2012，33（6）：627－629.