U 形微帶饋電的圓柱形介質諧振器天線

趙思雨，姬五勝，周祥偉，程琳琳

（1.天津職業(yè)技術師范大學天線與微波技術研究所，天津 300222；2.天津職業(yè)技術師范大學電子工程學院，天津 300222）

無線通信技術已經從第1 代（1G）迅速發(fā)展到了第5 代（5G），5G 已經滲透到人們的日常生活中，其高速的毫米波通信技術正在世界范圍內迅速發(fā)展[1]，隨著6 GHz 以下頻譜資源的日益緊張，5G 系統(tǒng)將進一步把頻譜資源擴展至100 GHz 的頻段[2]。我國公布的5G 技術毫米波的試驗頻段有24.75～27.5 GHz 和37～42.5 GHz，這些頻段毫米波的應用已經成為一個研究熱點[3]。毫米波具有波長短、頻帶寬、信息容量大、頻譜資源豐富、傳輸特性良好等[4]優(yōu)勢，因此受到全世界研究機構及通信企業(yè)關注，許多軍用與民用系統(tǒng)的工作頻率已擴展到毫米波頻段。在工作于毫米波的天線中，介質諧振器天線（die-lectric resonator antenna，DRA）的出現(xiàn)，替代了傳統(tǒng)的低增益元件，其選用的介質材料介電常數(shù)為2～140，具有較強的穩(wěn)定性，介質諧振器天線因其特有的優(yōu)勢，如損耗小、饋電方式多樣、輻射效率高等優(yōu)點，引起了學術界和業(yè)界的廣泛關注[5]，介質諧振器的形狀有多種，如圓柱形[6]、矩形[7]、半球形[8]等。

介質諧振器天線有多種優(yōu)化以及饋電的方法，如采取H 形、環(huán)形以及組合縫隙等多種優(yōu)化的方式[9]，采取同軸、微帶線、L 形探針[10]、橢圓形共面探針[11]以及倒梯形共面探針[12]進行饋電等方法。缺陷地結構（defected ground structure，DGS）于20 世紀90 年代提出[13]，通過調節(jié)缺陷地結構，可以優(yōu)化介質諧振器天線的性能。文獻[14]將缺陷地結構與U 形微帶線結合，優(yōu)化介質諧振器的天線，使天線達到較好的增益和回波損耗。本文主要研究圓柱形介質諧振器天線，圓柱形介質諧振器已在微波電路有諸多應用，其結構的緊湊性以及高品質因數(shù)Q 值，使其成為毫米波天線的理想選擇。圓柱形DRA 具有較強的設計靈活性，可以實現(xiàn)對諧振頻率和帶寬的調節(jié)[15]。

1 圓柱形介質諧振器天線設計

1.1 介質諧振器天線的工作機理

介質諧振器是一個輻射體，介質諧振器天線通常選用特定幾何形狀的介質諧振器加饋電結構來實現(xiàn)，通過饋電結構，把電磁波耦合到介質諧振器上，激勵介質諧振器產生多種諧振模式，從而介質諧振器天線通過整個諧振器的表面進行輻射。介質諧振器天線主要有以下幾種特征：介質諧振器天線的大小與λ0/εr成正比，其中：λ0為自由空間波長；εr為材料的介電常數(shù)。當介電常數(shù)固定時，諧振頻率以及品質因數(shù)Q 值也會受到介質諧振器天線的尺寸比例影響，從而增加了設計的靈活性；通過選擇具有低損耗的介電材料，即使在毫米波頻率下，由于沒有表面波的損耗，也可以保持較高的輻射頻率；介質諧振器天線可以使用多種饋電機制，包括探針、槽、微帶線以及共面波導等方法；在介質諧振器天線中，可以激發(fā)多種模式，產生定向或者全向輻射模式。

1.2 圓柱形介質諧振器天線

圓柱形介質諧振器天線結構如圖1 所示。由圖1可知，天線的饋電方式為微帶饋電，并采用兩邊饋電的形式，有效地增加了天線的帶寬。該天線通過U 形微帶線激勵介質諧振器，使介質諧振器與空氣的界面近似于開路面，此時圓柱形介質諧振器的表面可看成磁壁，電磁波在界面上的反射系數(shù)接近于1，使其成為一個諧振腔。將介質諧振器放在自由空間中，使其處于輻射模式，從而可以輻射電磁波。設計采用的介質諧振器材料的介電常數(shù)為7，能夠減少暴露，使大部分電磁場集中在介質諧振器中。相比于傳統(tǒng)的圓柱形介質諧振器天線，本文所設計的天線由于其饋電結構和缺陷地結構等方面的影響，仿真結果優(yōu)于傳統(tǒng)的、尺寸相同的圓柱形介質諧振器天線。

圖1 圓柱形介質諧振器天線的結構

天線介質基板的材料選用Rogers RT/duroid 5880（tm），介電常數(shù)εr1=2.2，長、寬、高分別為l1=10 mm、w1=15 mm、h=0.508 mm。圓柱形介質諧振器的中間部分通過與其截面同樣大小的圓形孔垂直嵌入到介質基板中，兩端暴露在空氣中；圓柱形介質諧振器的介電常數(shù)εr2=7，高度h1=8.5 mm，半徑r1=1.45 mm。

天線采用微帶線的饋電方式，并且在微帶線右側采用切割1/2 圓環(huán)的方法設計為U 形；l2為微帶線的長度，w2為微帶線的寬度，l2=6.96 mm，w2=0.6 mm；rd為圓環(huán)結構的外半徑，rx為內半徑，rd=3 mm，rx=2 mm，U 形微帶線的寬度為1 mm。

圖1（c）中為缺陷地結構，該缺陷地結構相當于在接地面上減去一個圓形孔，圓形的半徑rdgs=1.8 mm，略微大于圓柱形介質諧振器的半徑。該結構可以增加天線的阻抗帶寬，優(yōu)化回波損耗S11參數(shù)。

2 圓柱形介質諧振器天線特性分析

2.1 確定天線饋線的微帶線寬度

利用Txline2003 軟件計算平行微帶線的寬度，利用Ansoft HFSS 15 電磁仿真軟件對介質諧振器天線進行優(yōu)化和分析。本文中天線有U 形微帶線和缺陷地結構，主要影響天線的回波損耗S11和天線的方向圖增益等性能，通過調節(jié)參數(shù)rdgs、rx以及rd，優(yōu)化天線的回波損耗S11和天線增益等。

Txline2003 軟件可以在已知基片材料、基片厚度、天線中心工作頻率以及微帶線特性阻抗的情況下，計算出微帶線的最佳寬度。在Txline2003 軟件的Microsrtip界面上，選用介電常數(shù)εr2=7，損耗角正切值為1，50 Ω微帶線，0.508 mm 的高度以及諧振頻率42.5 GHz 的天線材料后，計算得到天線饋線的平行微帶線最佳寬度為0.6 mm。

2.2 缺陷地結構尺寸對S11參數(shù)的影響

天線的回波損耗S11隨參數(shù)rdgs的變化曲線如圖2所示。

圖2 缺陷地結構對S11 參數(shù)的影響

取rdgs即缺陷地結構的圓形半徑參數(shù)分別為1.7 mm、1.8 mm、1.9 mm 以及2.0 mm，通過仿真軟件HFSS 進行優(yōu)化，優(yōu)化結果顯示，當參數(shù)rdgs=1.8 mm 時，回波損耗S11參數(shù)最好，S11能夠到達-42.71 dB，且天線的阻抗帶寬（S11<-10 dB）能夠達到3.53%，中心頻率達到42.5 GHz，即最終選擇rdgs=1.8 mm。

2.3 圓環(huán)結構尺寸對S11參數(shù)的影響

U 形微帶線的寬度對S11參數(shù)的影響如圖3 所示。從圖3（a）可知，rx參數(shù)變化對回波損耗S11的影響。取rx即圓環(huán)結構內半徑的值分別為1.9 mm、2.0 mm、2.1 mm，可以看出，隨著rx的增大，介質諧振器天線的中心頻率會降低，當rx=2.0 mm 時，介質諧振器天線的回波損耗S11最佳，其回波損耗S11能夠達到-42 dB，天線的阻抗帶寬（S11<-10 dB）為3.76%，且中心頻率為42.5 GHz，此時rd=3 mm，rd-rx=1 mm，即U 形微帶線的寬度為1 mm。從圖3（b）可知，rd參數(shù)變化對回波損耗S11的影響，取rd即圓環(huán)結構外半徑的值分別為2.9 mm、3.0 mm、3.1 mm，可以看出，隨著rd的增大，介質諧振器天線的中心頻率會降低，當rx=3.0 mm時，介質諧振器天線的回波損耗S11最佳，其回波損耗S11能夠達到-42.7 dB，天線的阻抗帶寬（S11<-10 dB）為3.76%，且中心頻率為42.5 GHz，此時rx=2.0 mm，rd-rx=1 mm，即U 形微帶線的寬度為1 mm。

圖3 U 形微帶線的寬度對S11 參數(shù)的影響

2.4 圓柱形介質諧振器天線的方向圖

利用Ansoft HFSS 15 電磁仿真軟件，對天線的方向圖進行仿真，3D 方向圖如圖4 所示，2D（H-E）方向圖如圖5 所示。

圖4 圓柱形介質諧振器天線的3D 方向圖

圖5 圓柱形介質諧振器天線的2D（H-E）方向圖

本設計天線采用了缺陷地（DGS）結構，故會存在少量的輻射。由圖5 可知，該天線在中心頻率42.5 GHz時增益最高可達到7.34 dBi。該增益值對天線而言，屬于較高增益，能夠很好地將能量有效集中，這表明所設計的天線有較強的輻射和接收電磁波的能力。

2.5 圓柱形介質諧振器天線的S11參數(shù)以及軸比

優(yōu)化后的天線回波損耗S11的結果如圖6 所示。由圖6 可知，天線的回波損耗（S11<-10 dB）的帶寬為41.8～43.4 GHz，中心頻率為42.5 GHz，相對阻抗帶寬為3.76%。使天線的工作頻帶達到了毫米波頻段，擁有較好的天線性能。

圖6 圓柱形介質諧振器天線的S11 參數(shù)

介質諧振器天線在42.5 GHz 的軸比曲線（AR<3 dB）如圖7 所示。從圖7 可以看出，在42.5 GHz 時，俯視角在50°～64°以及115°～121°，實現(xiàn)了天線的圓極化，但該圓極化范圍較窄，仍要繼續(xù)優(yōu)化和改進，實現(xiàn)天線較好的圓極化性能。

圖7 天線在42.5 GHz 的軸比曲線

圓柱形介質諧振天線的最終幾何參數(shù)值如表1所示。本文設計的介質諧振器天線的部分參數(shù)與文獻[5]的比對如表2 所示。

表1 介質諧振器天線的幾何參數(shù)

表2 本文設計的介質諧振器天線的部分參數(shù)與文獻[5]的比對

從表2 可以看出，本文設計的介質諧振器天線工作頻段遠高于文獻[5]中U 型微帶饋電的圓極化介質諧振器天線的工作頻段，天線增益略高于文獻[5]中天線的增益，但相對帶寬比文獻[5]中天線較低。

3 結語

本文提出了一種工作在毫米波頻段的圓柱形介質諧振器天線的設計方案，該方案利用U 形微帶線進行饋電，并且加入了缺陷地結構，通過調節(jié)U 形微帶線以及缺陷地結構的尺寸，實現(xiàn)對介質諧振器天線的性能優(yōu)化。該介質諧振器天線仍存在一些不足之處，如天線的圓極化不夠好，實現(xiàn)圓極化的頻段較窄，擬通過改變缺陷地結構形狀以及加入微帶線枝節(jié)進行改善，有待于后續(xù)進一步研究。