介質陶瓷諧振器天線的研究進展

曹良足，胡 健，李廣文, 3，殷麗霞

(1. 景德鎮陶瓷大學機械與電子工程學院，江西 景德鎮 333403；2. 南京理工大學電光學院，江蘇 南京 210094；3. 景德鎮景光電子有限公司，江西 景德鎮 333405)

介質陶瓷諧振器天線的研究進展

曹良足1, 2，胡 健1，李廣文1, 3，殷麗霞1

(1. 景德鎮陶瓷大學機械與電子工程學院，江西 景德鎮 333403；2. 南京理工大學電光學院，江蘇 南京 210094；3. 景德鎮景光電子有限公司，江西 景德鎮 333405)

介質陶瓷諧振器天線廣泛用于衛星通信、基站和移動通信系統中，本文綜述介質陶瓷諧振器天線的饋電結構、小型化、帶寬展寬技術和頻率可調方法的最近研究成果，并從理論上解釋其相關的工作原理，最后提出了介質陶瓷諧振器天線的發展趨勢。

天線；介質陶瓷諧振器；饋電結構；帶寬展寬技術；頻率可調

0　引 言

一直以來，介質陶瓷諧振器(DR)主要用于微波電路，如振蕩器和濾波器，它是由高介電常數(εr大于20)的材料制成的，其無載品質因子(Q值)通常在50至500之間，但也可能高達10000[1]，例如，(Zr0.8Sn0.2)TiO4陶瓷[2]、CaTiO3-LaAlO3陶瓷[3]。因為在這些傳統的應用中，介質陶瓷諧振器是作為貯能器件而不是輻射單元。盡管多年前人們發現開放型的DR能輻射電磁能，直到第一篇關于圓柱介質陶瓷諧振器天線(DRA)的論文發表于1983年后[4]，DR用作天線的想法才廣泛被人們接受。那時候，人們發現某些系統的工作頻率范圍擴展到毫米波和近毫米波(100-300 GHz),在這個頻段，金屬天線的導體損耗變得嚴重，天線的輻射效率大幅度下降。相反，DRA的介電損耗非常小。自從圓柱DRA研究后[4]，Long[5, 6]一直致力于研究長方體DRA和半球DRA。這些工作奠定了DRA未來研究工作的基礎。其它形狀，如三棱錐DRA[7]、球冠DRA[8]和圓環DRA[9, 10]也得到了開發。圖1是常見DRA的照片。

與微帶電天線相比，DRA具有相當寬的阻抗帶寬(對εr≈10的DRA大約10%)。這是因為微帶天線僅通過兩條窄的狹縫產生電磁輻射，而DRA除接地面外所有的表面都可以輻射電磁波。DRA還具有另一個明顯的優點，就是介質表面能夠避免表面波的產生。

圖1　各種形狀的介質諧振器天線Fig.1 DRAs of various shapes

下面從饋電方式、低背及小型化、帶寬展寬技術和頻率可調方法四個方面進行綜述。

1　饋電方式

介質陶瓷諧振器天線(DRA)由介質陶瓷制成，所有表面都沒有電極，要將電磁信號通過DRA輻射到周圍空間，必需采用合適的饋電方式。常見的饋電方式有以下幾種：同軸探針[11]，窗口耦合的微帶線[12]，窗口耦合的同軸線[13]，直微帶線[14]，共面波導[15]，焊接在微帶線上的探針[10]，狹縫線[16]，帶狀線[17]，共形帶狀線[18]，介質鏡像波導[19]。圖2示出兩種常見的饋電結構。

饋電的本質就是將信號源的能量耦合給DRA，耦合的方式不外乎電耦合和磁耦合以及電磁混合耦合。圖3是微帶線耦合DRA的等效電路圖和反射系數圖。圖中L1、C1和R1構成并聯諧振為DRA的等效電路，L2、C2和R2為微帶線的分布參數，L1和L2之間形成磁耦合(圖中用M表示)為微帶線饋電機制，微帶線與DRA距離近耦合強，反射系數更小，反之，則耦合弱，反射系數大于-10 dB。

圖2　介質諧振器天線的兩種饋電結構Fig.2 Two excitation methods for DRA

圖3　微帶線耦合介質諧振器天線的等效電路圖和反射系數曲線Fig.3 Equivalent circuit and reflection of DRA coupled to microstrip line

2　低背及小型化

許多現代通信系統要求使用低背介質陶瓷諧振器天線，例如可以連接到無線網絡的筆記本電腦，低背介質陶瓷諧振器天線本身還可以直接連接到PCMCIA格式的無線網卡上。為了增大輻射，采用低介電常數(εr)的介質材料制作DRA，但是，DRA的高度與εr成反比，即介電常數越高，DRA的高度越低(通常所說的‘低背’)， 因此，采用高εr的介質材料可以使DRA低背，從而實現DRA的小型化。 1994年，Mongia[20]采用εr=100的介質材料制作了長方體DRA,阻抗帶寬為3%，隨后，也研制出低背的圓柱DRA和三棱錐DRA[21-22]。Essele[23]研究了低介電常數(εr=10)DRA的小型化，當DRA的長與高之比等于6(長、寬和高分別為15.2 mm,7.0 mm和2.6 mm)時，諧振頻率為11.6 GHz，反射損耗高達38 dB。除了采用高介電常數外, 在圓柱DRA的軸心插入一根短路金屬小圓柱，與常規DRA相比，體積可以減小一半以上[24]。最吸引人的方法是將圓柱或長方體沿軸線對半剖開，將剖面緊靠一塊垂直的金屬板并接地，根據鏡像理論，則DRA的體積減小近一半[25-27]，如圖4所示。

低背DRA的10 dB反射損耗帶寬和軸比帶寬大于微帶介質天線。雖然DRA的高度比微帶介質天線高，但DRA能提供令人滿意的帶寬與安裝面積之比，而且其高度也是可以接受的，表1列出兩種天線的性能。

圖4　小型化介質諧振器天線Fig. 4 Miniaturized DRA

表1　矩形微帶介質天線和圓盤介質陶瓷諧振器天線的性能比較[28]Tab.1 Comparison of rectangular patch and circular disc DRA

3　帶寬展寬技術

天線的帶寬展寬技術已成為研究熱點。展寬帶寬的方法大致可分為三大類[28]，包括降低諧振器的固有品質因素(Q值)； 采用外部匹配網絡和組合多個諧振器。1989年由Kishk[29]首次堆疊兩個不同的DRA來展寬天線的帶寬，這是因為它們的諧振頻率不同，相當于雙通帶。Sangiovanni[30]堆疊三個DRA進一步增加帶寬，如圖5(a)所示。Leung[31]在兩個堆疊的DRA之間引入空氣間隙，并且用高εr制作低背DRA, 帶寬展寬效果很好。Simon[32]采用另一種方法，即將兩個額外的DRA放在主DRA旁邊來展寬天線的阻抗帶寬，如圖5(b)所示。其原理相當于主DRA與兩個副DRA耦合形成較寬的通帶，圖6示出兩個DRA的等效圖和反射系數圖，圖中L1與L2之間存在磁耦合(圖中用M表示)[28]，兩個DRA與單個DRA相比，-10 dB帶寬明顯變寬。Leung[33]采用雙圓盤的方法展寬高εr低背DRA的帶寬。

圖5　三個介質諧振器組合的天線Fig.5 3-DRA (a) stacked DRA, (b) co-planar

圖6　兩個DRA的等效電路圖與反射系數曲線Fig.6 Equivalent circuit and reflection of 2-DRA

上述方法需要額外的DRA單元。下面介紹的帶寬展寬技術基于單個DRA結構，通過引入一些結構上的改變， 例如在介質陶瓷諧振器天線上挖一個凹槽或增加空氣間隙，降低諧振器的固有品質因素(Q值)。Wong[34]在半球DRA內部引入空氣間隙來增加阻抗帶寬。Ittipiboon[35]對長方體DRA開展了類似的工作，當空氣間隙高度為1.5 mm, 雖然諧振頻率增加17%，但是阻抗帶寬增加84%，如圖7所示。Shum[36]在DRA和地平面之間引入空氣間隙增加阻抗帶寬。Leung[37]研究了導體取代空氣間隙的帶寬展寬技術。 Chen[38-39]在DRA上加蓋介質帽來增加阻抗帶寬。還可以引入額外的導體塊增加DRA的阻抗帶寬[40-41]。在介質陶瓷諧振器底部和地面之間引入一層低介電常數介質板，增加有效輻射的同時，也能提高帶寬[28]。

圖7　引入空氣間隙的介質諧振器天線Fig.7 DRA with air gap

對微帶線直接饋電的DRA,可以采用微帶線支節進行阻抗匹配，從而達到帶寬展寬的目的[28]。

4　頻率可調方法

介質陶瓷諧振器天線的頻率由其尺寸和介電常數決定，可是，特殊頻率的DRA很難在市場上購買到，即使能買到，但是存在組裝偏差，測量值和計算的諧振頻率不一定相一致，因此誕生了許多調諧頻率的方法，例如,頂面加載金屬圓盤、多根帶狀線、狹縫、長方體側壁上的短路支節、集總電容、變容二極管器等。Z. Li[42]在圓柱體和圓環DRA的頂面加載導電金屬盤調諧天線頻率，調諧頻率范圍可達300-500 MHz。H. K. Ng[43]用多對帶狀線調諧半球體DRA的頻率，兩對帶狀線使天線的諧振頻率范圍擴展到3.1-3.8 GHz。K. K. So[44]采用接地平面上的狹縫調諧半球體DRA帶寬和諧振頻率，當狹縫長度從14 mm增加至22 mm時，諧振頻率從4.35 GHz減小至3.75 GHz。M.I .Sulaiman[45]通過改變長方體側壁上螺旋線饋線的位置改變天線的頻率，從中心位置移至右邊，頻率變化從 4.1 GHz 至3.1 GHz。B. Wu[46]在DRA下面加入表面金屬化的介質片改變天線的諧振頻率，前面所采用的調諧頻率的方法是靜態的，一旦結構和尺寸確定后，頻率就固定不變，而電調諧和光調諧能實現動態調頻。A. Petosa[47]在長方體側壁的金屬帶與接地面之間焊上三個PIN二極管，由高低電平(即數字信號0和1)控制PIN的導通和斷開，從而調諧DRA的頻率，當數字信號從000變化到111時，頻率從4.50 GHz降到3.45 GHz。C. X. Hao[48]在長方體的側壁焊上貼片電容器或變容二極管，電容從0 pF增到10 pF，頻率2.87 GHz 降至 2.12 GHz，如圖8所示。其原理很容易從介質陶瓷諧振器天線的等效電路圖(圖3)中加以理解，加載的電容并聯在電路中，滿足下列公式，

式中f0、Lr、Cr和CL分別為諧振頻率，等效電感，等效電容和加載電容。從公式可知，CL越大，f0越低，與圖8相一致。

圖8　加載電容器/變容管的介質諧振器天線的結構圖與反射響應Fig.8 Structure and Reflection of DRA loaded with capacitor/varactor

5　結 語

介質陶瓷諧振器天線的性能參數與其形狀、尺寸、介質材料的參數和饋電方式等因素有關。在追求某一項參數高指標時，要適當兼顧其它參數，例如，為了小型化采用高介電常數的介質陶瓷，但天線的帶寬變窄，增益減少；再例如，為了擴展天線的調諧范圍，采用電容比較大的變容管，但天線在低頻端的駐波比小于2，不能滿足整機對天線的要求。介質陶瓷諧振器天線的研究課題很多，如圓極化、雙極化、多通帶和天線陣列等，由于篇幅限制，在此不再綜述。介質陶瓷諧振器天線的發展趨勢是小型化、高增益、寬頻帶、易調諧和能夠低成本批量生產。

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Progress in Dielectric Ceramic Resonator Antenna

CAO Liangzu1, 2, HU Jian1, LI Guangwen1 3, YIN Lixia1
(1. School of Mechanical and Electric Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China; 2. School of Electric and Optical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094,
Jiangsu, China; 3. Jingdezhen Jingguang Electronic Co. Ltd. Jingdezhen 333405, Jiangxi, China)

Dielectric ceramic resonator antennas (DRAs) have been widely used in satellite communication, base station and mobile communication systems. This paper summarizes the excitation, miniaturization, bandwidth enhancement techniques and frequency tuning in recent years. The relevant principles were given in theory. Finally, the trends for DRAs were proposed.

antenna; dielectric ceramic resonator; excitation; bandwidth enhancement techniques; frequency tuning

date: 2015-10-10. Revised date: 2015-12-21.

TQ174.75

A

1000-2278(2016)02-0127-06

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.02.004

2015-10-10。

2015-12-21。

江西省自然科學基金項目(20151BAB207014)；景德鎮市科技局科研項目(景科字[2013]第55號)。

通信聯系人：曹良足(1966-)，男，教授。

Correspondent author:CAO Liangzu(1966-), male, Professor.

E-mail:clz4233@liyun.com