一種新型圓柱形介質(zhì)諧振器微帶天線仿真分析

王蕾蕾，安合志，李 萍，張文輝

(1.武警工程大學(xué)研究生大隊(duì)，陜西西安 710086;2.武警工程大學(xué)通信工程系，陜西西安 710086)

早在20世紀(jì)30年代末，美國(guó)斯坦福大學(xué)學(xué)者R.D.Richtmyer從理論上證明了:未金屬化的高介電常數(shù)和低損耗的介質(zhì)可作為微波電磁諧振器，稱之為介質(zhì)諧振器(Dielectric Resonator，DR)。僅限于當(dāng)時(shí)的工藝和技術(shù)水平，未研制出微波損耗較小的高介電常數(shù)的介質(zhì)材料。直到1983年，S.A.Long等人的研究成果才表明，在選擇適當(dāng)形狀、介電常數(shù)以及饋電方式的情況下，介質(zhì)諧振器也可作為天線使用［1］。由于其不存在導(dǎo)體和表面波損耗且輻射效率高，近年來在無線通信領(lǐng)域顯示出潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 圓柱形介質(zhì)諧振器

圓柱形介質(zhì)諧振器通常采用損耗低、頻率溫度系數(shù)小、介質(zhì)常數(shù)高的陶瓷材料，且其工作主要在微波頻段。為分析其頻率特性，首先孤立介質(zhì)諧振器，默認(rèn)邊界條件為z=0的平面上，Er=0，Eφ=0。

假設(shè)圓柱表面為理想磁壁，則沿z軸方向的TE和TM的方程可以寫成［2］

式中，c是真空中光速;Jn是第一類貝塞爾函數(shù)。

Jn(Xnp)=0，J'n(X'np)=0，n=1，2，3，…;m=1，2，3，…;p=1，2，3，…，

主模就是頻率最低的模式，即m=0，n=1，p=1，X'11=1.841其頻率計(jì)算公式為

計(jì)算主模等效磁面電流，主模的波方程為

由于饋電位置在φ=0°的面，所以上式中沒有正弦。切線電場(chǎng)由下式?jīng)Q定

頂面和底面電流為

在實(shí)際應(yīng)用中，天線通常工作于TM110模，其諧振頻率公式為［3－4］

2 諧振器各參數(shù)對(duì)天線性能仿真分析

文中天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。介質(zhì)基板尺寸為L(zhǎng)×W，上層厚度為b;下層厚度為上層的1/2;相對(duì)介電常數(shù)為εr;沿天線橫軸與縱軸方向在基板上層加載對(duì)稱U型槽，圓柱形介質(zhì)諧振器垂直置于槽上，并采用微帶—槽耦合饋電機(jī)制。連接端口1的微帶線為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，連接端口2的微帶線采用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以此來降低耦合度。其中，U型槽的橫向槽長(zhǎng)度為L(zhǎng)f;豎向槽長(zhǎng)度為Wf;槽寬度為d;圓柱形介質(zhì)諧振器的半徑為Rc;高度為 Hc。

圖1 天線基本結(jié)構(gòu)圖

2.1 圓柱形介質(zhì)諧振器半徑

利用Ansoft HFSS 12軟件進(jìn)行仿真，分析對(duì)稱型圓柱形介質(zhì)諧振器微帶天線半徑Rc的變化對(duì)天線駐波的影響。Rc分別取2.7 mm、2.8 mm、2.9 mm和3.0 mm，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 Rc對(duì)天線VSWR的影響

圖2中，虛線為2.7 mm、點(diǎn)線為2.8 mm、實(shí)線為2.9 mm、長(zhǎng)虛線為3.0 mm。由圖2可知，隨著圓柱形介質(zhì)諧振器半徑Rc的增加，端口1對(duì)應(yīng)天線的諧振頻率接近線性降低，但VSWR＜2帶寬變化不明顯。對(duì)于端口2而言，天線的低頻諧振點(diǎn)和高頻諧振點(diǎn)隨著圓柱形介質(zhì)諧振器半徑Rc的增加略向左移，但高頻諧振點(diǎn)移動(dòng)的速度明顯比低頻諧振點(diǎn)快。同時(shí)，低頻諧振點(diǎn)的駐波值基本無變化，而高頻諧振點(diǎn)的天線性能明顯改善。

2.2 圓柱形介質(zhì)諧振器高度

利用Ansoft HFSS 12軟件進(jìn)行仿真，分析對(duì)稱型圓柱形介質(zhì)諧振器微帶天線高度Hc的變化對(duì)天線駐波的影響。Hc分別取3.8 mm、3.9 mm、4.0 mm 和4.1 mm，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3中，虛線為3.8 mm、點(diǎn)劃線為3.9 mm、實(shí)線為4.0 mm、長(zhǎng)虛線為4.1 mm。由圖3可知，隨著圓柱形介質(zhì)諧振器高度Hc的增加，端口1對(duì)應(yīng)天線的諧振頻率略有降低，諧振點(diǎn)的駐波值呈先減小后增大的趨勢(shì)。端口2中，低頻諧振點(diǎn)的駐波值略有減小，高頻諧振點(diǎn)的駐波值略有增大，但整體變化并不明顯。此外與兩個(gè)端口相對(duì)應(yīng)的、天線VSWR＜2的帶寬均無明顯變化。

圖3 Hc對(duì)天線VSWR的影響

3 結(jié)束語

文中主要分析了影響天線性能的圓柱形介質(zhì)諧振器的兩個(gè)重要參數(shù)，通過比對(duì)，可總結(jié)出變化規(guī)律:隨著圓柱形介質(zhì)諧振器半徑Rc和高度Hc的增加，天線的諧振頻率均有所降低。這主要是因?yàn)镠c/Rc的比值發(fā)生變化，引起其他諧振模式造成干擾，從而導(dǎo)致天線的諧振頻率普遍降低。在實(shí)際應(yīng)用中，大都要求諧振腔在一定的工作頻率范圍內(nèi)只諧振于一種模式，因此在圓柱形介質(zhì)諧振器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地消除干擾模的影響并保留所需要的模式。

［1］ LONG S A.The resonant cylindrical dielectric cavity antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008(1):25－31.

［2］ LONG S A，MCALLISTER M，SHEN L C.The resonant cylindrical cavity antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagation，1983，AP －31(6):406 －412.

［3］ KISHK A A，ITTIPIBOON A，ANTAR Y M M，et al.Slot excitation of the dielectric disk radiator［J］.IEEE Transactions.Antennas Propagat，1995，43(2):198 －201.

［4］ 湯小蓉.雙極化介質(zhì)諧振器天線和低旁瓣圓極化微帶天線陣的研究［D］.上海:上海大學(xué)，2009.

［5］ 鄧曄輝，逯貴禎，劉儉.小型EMC寬帶嗽叭天線設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(14):144－146.

［6］ 范結(jié)義，高成.商用電磁仿真軟件的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電子科技，2011，24(1):125 －127.