一種寬帶棱臺形介質(zhì)諧振器天線的設(shè)計與研究

薛敬宏 何露茜 宋立眾 姚國國 霍紀兵

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2018.06.012

摘要：本文研究了一種棱臺形介質(zhì)諧振器天線。該天線使用棱臺形的介質(zhì)諧振器作為輻射體。天線的饋電方式采用同軸探針饋電，探針連接在介質(zhì)諧振器附有的梯形金屬枝節(jié)上，梯形金屬枝節(jié)用來實現(xiàn)阻抗匹配。通過設(shè)計介質(zhì)諧振器與梯形枝節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)了預(yù)期的性能要求。采用全波電磁仿真技術(shù)對該雙極化天線結(jié)構(gòu)進行電磁仿真和優(yōu)化設(shè)計，仿真結(jié)果表明，在3.5～5.5GHz工作頻率范圍內(nèi)，設(shè)計的介質(zhì)諧振器天線的電壓駐波比小于2;在中心頻點上交叉極化電平低于-70dB，在E面和H面上的波束寬度均大于90°。對設(shè)計的天線進行加工測試，測試結(jié)果表明，該天線實現(xiàn)了預(yù)期的輻射性能，驗證了該介質(zhì)諧振器天線設(shè)計的有效性。

關(guān)鍵詞：寬帶天線;介質(zhì)諧振器天線;輻射方向圖;電壓駐波比

中圖分類號：TJ765;TN82文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2018）06-0072-06[SQ0]

0引言

目前，寬帶技術(shù)是無線通信領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，已經(jīng)成為了國內(nèi)外通信界近年來的熱點問題和研究方向之一。寬帶技術(shù)之所以得到了廣泛的關(guān)注，主要因為其傳輸速率高、處理增益高、多徑分辨能力強、隱蔽性好、低功耗、系統(tǒng)容量大、穿透能力強、定位能力強，能提高現(xiàn)有的頻譜利用率[1]。寬帶天線是寬帶系統(tǒng)的前端組成部分，其性能影響著整個系統(tǒng)的工作效能。在實際工程實踐中，天線的設(shè)計除了要滿足天線的匹配、端口的隔離、輻射的方向圖和交叉極化電平等技術(shù)指標，還需考慮工程上的安裝結(jié)構(gòu)、饋電方式、組陣方式和材料成本因素，因此，設(shè)計和研制適合于工程應(yīng)用的雙極化天線單元具有重要意義。

寬帶天線單元是指具有寬頻帶的天線[2]。在寬帶天線單元的設(shè)計中，需要考慮的性能指標包括工作頻段[3]、帶寬、電壓駐波比[4]、交叉極化電平[5]、方向圖形狀[6]、波束寬度以及增益[7]等，因此，要兼顧所有指標使之滿足實際工程的需要是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。目前，常用的寬帶天線單元有圓錐天線、V錐天線、TEM喇叭天線、對數(shù)周期天線、螺旋天線、波紋喇叭天線、微帶天線、新型天線以及電小天線等。寬帶天線單元及其陣列的設(shè)計獲得了廣泛的研究。例如，尤文峰等人提出一種對圓錐天線的外部輪廓線進行改進以提高天線性能的方法，選定七橢圓錐凸起型天線，在0.3～3GHz范圍內(nèi)有良好的性能特性[8];謝平等人設(shè)計了一種帶有機玻璃天線罩的地平板結(jié)構(gòu)橫電磁波（TEM）喇叭接收天線，具備較好的時域保真度和饋入反射特性，適于作為超寬帶接收天線[9];高偉等人結(jié)合傳統(tǒng)對數(shù)周期偶極子天線的結(jié)構(gòu)，再加上微帶天線的優(yōu)勢，改進了一款工作頻率在4～10GHz的對數(shù)周期偶極子天線[10];樊際洲設(shè)計了一種小型四臂螺旋天線，采用巴倫平衡結(jié)構(gòu)的自相移饋電方式饋電，將螺旋臂印刷在高介電常數(shù)陶瓷柱上，減小了天線的體

積，具有良好的寬波束和圓極化特性[11];Lazaridis等人提出了一種寬帶對數(shù)周期天線設(shè)計的新方法，使天線增益變大，前后比和駐波比方面達到最佳[12];張加林設(shè)計了一種覆蓋S波段（2～4GHz）的微帶貼片天線，天線結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，具有廣泛的應(yīng)用前景[13];邵羽等人提出用單極子向Γ結(jié)構(gòu)進行電磁耦合饋電，使天線在整個工作帶寬范圍內(nèi)的駐波比小于2，增益得到提高[14];齊健介紹了一種基于波導(dǎo)圓極化器的新型X波段雙圓極化喇叭天線，帶寬較寬，具有良好的方向性和圓極化特性[15]。

介質(zhì)諧振器天線（DielectricResonatorAntenna，DRA）是一種新型天線，具有輻射效率高、體積小、便于加工組裝和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，適合于實際工程應(yīng)用，因此，介質(zhì)諧振器天線是一種有效的寬帶天線單元的技術(shù)方案[16]。近年來介質(zhì)諧振器天線單元的設(shè)計獲得了廣泛的研究，例如：張麗娜等人提出一種寬帶的高介電常數(shù)圓柱形介質(zhì)諧振器天線，獲得了12.6%的阻抗帶寬，并具有介質(zhì)諧振器尺寸小的優(yōu)點和較好的輻射特性[17];郝宏剛等人采用共面波導(dǎo)饋電的單極天線與介質(zhì)諧振器天線的混合結(jié)構(gòu)使天線頻帶寬度為2.98～7.18GHz[18];Behloul等人提出了一種探針饋電的三角形介質(zhì)諧振器天線，工作范圍在5～6GHz[19]。

本文提出了一種棱臺形介質(zhì)諧振器天線的實現(xiàn)方案，主要討論了該介質(zhì)諧振器天線的組成結(jié)構(gòu)和輻射性能的電磁仿真與優(yōu)化問題，對設(shè)計的天線進行了加工測試，給出了具體的實際測試結(jié)果，達到了預(yù)期的技術(shù)指標要求。

1棱臺形介質(zhì)諧振器天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文討論的介質(zhì)諧振器天線結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，圖1（a）為天線的視角一的模型圖，可以看到天線外部整體結(jié)構(gòu);圖1（b）為視角二的模型圖，可以看到天線的底部饋電同軸線接頭結(jié)構(gòu)和位置。該天線為棱臺形介質(zhì)諧振器類型的天線，選擇的微帶電路板是常用的FR4板材，介質(zhì)基板的厚度為1mm，金屬銅箔的厚度為0.036mm。天線的饋電方式采用同軸探針饋電，在介質(zhì)諧振器的一端附有梯形結(jié)構(gòu)的枝節(jié)，用來實現(xiàn)阻抗匹配。本文設(shè)計的雙極化圓波導(dǎo)天線便于機械加工實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)可靠，性能穩(wěn)定，成本較低，也容易保證加工精度的一致性。

2棱臺形介質(zhì)諧振器天線的電磁仿真

采用全波電磁仿真軟件對介質(zhì)諧振器天線進行參數(shù)建模，根據(jù)性能要求對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進行參數(shù)掃描和設(shè)計。本文設(shè)計的天線的電壓駐波比（VSWR）如圖3所示，可以看出，在3.5～5.5GHz范圍內(nèi)VSWR約小于2。

圖4～6給出了介質(zhì)諧振器天線在3.5GHz，4.5GHz和5.5GHz時的輻射方向圖仿真結(jié)果，其中，每個圖中分別給出了天線的xoz面和yoz面的輻射方向圖。從輻射方向圖可以看出，該天線的輻射方向圖波束較寬，波束形狀規(guī)則，后瓣較小。

介質(zhì)諧振器天線在xoz面和yoz面的波束寬度隨著頻率的變化規(guī)律曲線如圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在工作頻帶內(nèi)，xoz面的波束寬度在3.5～5.2GHz范圍內(nèi)大約為91°和103°之間，在5.2～5.5GHz范圍內(nèi)有所下降，但整體性能較好;yoz面的波束寬度在3.5～5.2GHz范圍內(nèi)約為91°和108°之間，在5.2～5.5GHz范圍降到79°，但整體性能較好。

3棱臺形介質(zhì)諧振器天線的加工測試

根據(jù)上述天線設(shè)計結(jié)果，對設(shè)計的介質(zhì)諧振器天線進行了加工、組裝和測試，圖8所示為天線加工后的實物照片。

采用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工的介質(zhì)諧振器天線的輸入端電路特性進行了測試。測試結(jié)果表明，在工作頻帶范圍內(nèi)，天線的回波損耗約低于-10dB，且有兩個諧振點，分別位于3.8GHz與5.2GHz處，與仿真結(jié)果接近但有一定偏差，這可能是由于加工和安裝誤差引起的結(jié)果。

圖9～11所示為本文設(shè)計的介質(zhì)諧振器天線在3.5GHz，4.5GHz和5.5GHz時的輻射方向圖仿真結(jié)果，其中，每個圖中分別給出了xoz面和yoz面的輻射方向圖。可以看出，在三個頻點處天線波束正前方的交叉極化電平比較低，均表現(xiàn)出寬波束的特性，與仿真結(jié)果相似。同時，在方向圖測試中，由于天線的測試安裝誤差以及天線的加工不理想等因素，測試的方向圖形狀有一定的起伏現(xiàn)象，且主波束方向略有偏離，這導(dǎo)致對仿真結(jié)果有一定差異。

4結(jié)論

基于介質(zhì)諧振器的輻射機理，提出一種具有超寬帶輻射特性的小型化棱臺形介質(zhì)諧振器天線。通過棱臺形結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了天線的超寬帶阻抗和方向圖特性;利用變形探針饋電結(jié)構(gòu)，激勵出寬帶的輻射場結(jié)構(gòu)，獲得了較為良好的匹配性能;在介質(zhì)諧振器底部加載了有限地板結(jié)構(gòu)，改善天線的輻射方向圖的前后比性能，實現(xiàn)了接近單向輻射的方向圖。對天線進行電磁仿真和優(yōu)化設(shè)計，在3.5～5.5GHz的頻率范圍內(nèi)，技術(shù)指標的仿真結(jié)果達到預(yù)期要求，測試結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性。

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