可調(diào)介質(zhì)諧振天線的研究進(jìn)展

王青敏，張家萌，許建春，郝亞楠，畢 科

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可調(diào)介質(zhì)諧振天線的研究進(jìn)展

王青敏，張家萌，許建春，郝亞楠，畢 科

（北京郵電大學(xué) 理學(xué)院，北京 100876）

可調(diào)介質(zhì)諧振天線是無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，本文對(duì)近年來可調(diào)介質(zhì)諧振天線的研究熱點(diǎn)和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對(duì)可調(diào)介質(zhì)諧振天線已有的研究方法進(jìn)行了總結(jié)和分析，概述了加載寄生導(dǎo)電片、加載寄生槽（縫隙）、采用液體介質(zhì)、增加空氣帶隙、使用特殊介質(zhì)材料、使用開關(guān)（轉(zhuǎn)換）器件這幾種可調(diào)技術(shù)，最后分析了各種可調(diào)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

可調(diào)性；介質(zhì)諧振天線；綜述；諧振模式；輻射特性；無線通信

天線作為一種接收和發(fā)射無線信號(hào)的設(shè)備，是無線網(wǎng)絡(luò)或無線電子設(shè)備中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響到整個(gè)無線通信系統(tǒng)的性能。隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對(duì)天線的要求越來越高。近年來，介質(zhì)諧振天線（Dielectric Resonator Antenna，DRA）由于較好的輻射性能、較小的尺寸和較低的損耗等性能而受到了廣泛的關(guān)注[1]。

介質(zhì)諧振天線的發(fā)展起源于1983年Long等對(duì)圓柱形介質(zhì)諧振天線的研究。其后人們?cè)O(shè)計(jì)了矩形、半球形、圓環(huán)形等各種形狀的介質(zhì)諧振天線，應(yīng)用共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguide，CPW)[2]、微帶線[3]、縫隙耦合[4]、同軸探針[5]等多樣的饋電形式來激勵(lì)介質(zhì)諧振天線，使得介質(zhì)諧振天線在輻射效率、帶寬、尺寸、與其他微波器件匹配等性能上得到很大的提升。

目前，研究者們所設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振天線其尺寸雖然已經(jīng)極大減小，但仍然無法滿足現(xiàn)代通信的需要，其主要原因是，一個(gè)通信設(shè)備往往需要多副天線來實(shí)現(xiàn)通信、導(dǎo)航等目的，多副天線組合的尺寸仍然非常大。同時(shí)由于設(shè)備內(nèi)天線間的電磁兼容問題，使得設(shè)備在工作效率方面受到限制。

可調(diào)介質(zhì)諧振天線能夠通過對(duì)頻率敏感的介質(zhì)諧振天線進(jìn)行調(diào)諧，在一定頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輻射性能。在一些需要多副天線的通信設(shè)備中可以通過使用一個(gè)可調(diào)介質(zhì)諧振天線來滿足需求，從而降低費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容，提升天線的整體性能。介質(zhì)諧振天線可調(diào)化的研究，可以為天線頻率調(diào)節(jié)提供技術(shù)指導(dǎo)。

為了對(duì)可調(diào)介質(zhì)諧振天線設(shè)計(jì)方法有一個(gè)系統(tǒng)的了解，本文對(duì)可調(diào)介質(zhì)諧振天線的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了介紹，并重點(diǎn)對(duì)介質(zhì)諧振天線的可調(diào)方法進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 可調(diào)介質(zhì)諧振天線的設(shè)計(jì)思想

圖1給出了包含微帶線饋電結(jié)構(gòu)和基板的基本介質(zhì)諧振天線。

文獻(xiàn)[6]給出了介質(zhì)基板上圓柱形介質(zhì)諧振天線的工作頻率

式中：= 1, 2, 3；= 1, 2, 3；= 0, 1, 2；其他參數(shù)有天線的頻率f與諧振子半徑；高度。電磁參數(shù)和，TE(X)和TM()與諧振模式的指數(shù)、和等因素有關(guān)。

由此可知頻率可調(diào)介質(zhì)諧振天線可以通過改變介質(zhì)材料，改變介質(zhì)諧振天線尺寸或者激發(fā)不同諧振模式來實(shí)現(xiàn)。

天線的可調(diào)范圍可以表示為

式中：high和low為工作頻率的上下邊界。

2 介質(zhì)諧振天線的可調(diào)方法

2.1 加載寄生導(dǎo)電片

Li等[7]設(shè)計(jì)了一種同軸探針激發(fā)的圓柱或圓環(huán)形可調(diào)介質(zhì)諧振天線。連續(xù)改變位于介質(zhì)諧振天線頂部的寄生導(dǎo)電圓片的直徑，在保證天線的諧振頻率處于穩(wěn)定狀態(tài)且介質(zhì)諧振天線性能不變的情況下，頻率調(diào)節(jié)范圍最大可達(dá)到17%，如圖2所示。Chen等[8]進(jìn)一步探究了介質(zhì)諧振天線頂部放置的寄生導(dǎo)電圓片對(duì)天線諧振頻率、輸入阻抗和遠(yuǎn)場輻射的影響。介質(zhì)諧振天線的特性受邊界條件的影響[9]，當(dāng)寄生導(dǎo)電圓片覆蓋介質(zhì)諧振天線時(shí)，天線頂部的表面邊界條件發(fā)生改變，隨著導(dǎo)電圓片直徑的增加，這種改變?cè)絹碓綇?qiáng)烈，諧振頻率紅移。Ng等[10]利用易于同單片微波電路集成，同時(shí)避免探針電抗的縫隙耦合的饋電方式來激勵(lì)半球介質(zhì)諧振天線。隨后在介質(zhì)諧振天線表面添加多個(gè)矩形寄生導(dǎo)電貼片，在線偏振和圓偏振介質(zhì)諧振天線中實(shí)現(xiàn)了工作頻率的調(diào)節(jié)[11]。值得注意的是，在圓偏振介質(zhì)諧振天線的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)獲得了很好的軸比和阻抗匹配。

采用這種方法，選擇合適幾何結(jié)構(gòu)和尺寸的寄生導(dǎo)電片，可以調(diào)節(jié)介質(zhì)諧振天線的工作頻率、提升天線的輻射性能，同時(shí)彌補(bǔ)天線的制造容差。

2.2 加載寄生槽（縫隙）

Leung等[12]提出了一種適用于線偏振和圓偏振介質(zhì)諧振天線的方法。改變與耦合縫隙同心的寄生槽的半徑來調(diào)節(jié)天線的諧振頻率。相比于通過改變饋電圓環(huán)的半徑來實(shí)現(xiàn)可調(diào)性，具有更大的可調(diào)范圍（線偏振天線–12%~+8%，圓偏振天線–3%~+4%），同時(shí)克服了改變饋電圓環(huán)帶來的阻抗不匹配現(xiàn)象[13]。將饋電縫隙和寄生槽的都改為矩形，相較于環(huán)狀寄生槽，提高了可調(diào)介質(zhì)諧振天線設(shè)計(jì)的自由度[14]。

如圖3所示，Huang[15]設(shè)計(jì)了一種微帶線激勵(lì)的可調(diào)介質(zhì)諧振天線，改變加載在基板上的窄槽長度，天線基板上的表面電流路徑彎曲，導(dǎo)致天線工作頻率的變化，調(diào)節(jié)范圍可以達(dá)到13%。另外，相比于沒有窄槽的介質(zhì)諧振天線來說，由于嵌入的窄槽降低了介質(zhì)諧振天線的品質(zhì)因數(shù)，天線的阻抗帶寬增大[16-17]。

Huang等[18]改變寄生槽的位置，獲得了頻率可調(diào)的圓偏振介質(zhì)諧振天線。這種方案僅通過改變寄生槽的長度，就可以很容易獲得右手和左手圓偏振介質(zhì)諧振天線。

這種方法在介質(zhì)諧振天線的制造階段通過調(diào)節(jié)寄生槽的尺寸，彌補(bǔ)了商用介質(zhì)諧振器有限的尺寸和介電常數(shù)等因素的制約。

圖3 可調(diào)微帶饋電介質(zhì)諧振天線

2.3 采用液體介質(zhì)

Ting等[19]在1970年發(fā)現(xiàn)液體介質(zhì)可以發(fā)生諧振。Kosta等[20]發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)液體和一些生物液體可以在微波頻段作為天線使用。相較于固體介質(zhì)諧振天線，液體介質(zhì)諧振天線在形狀調(diào)控以及饋電探針和介質(zhì)諧振器的耦合方面都得到了提升[21]。

Zhou等[22-23]設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)的小型液體介質(zhì)諧振天線，使用在低頻處具有較高的相對(duì)介電常數(shù)和較低的損耗因子（相對(duì)介電常數(shù)大約為79.45，損耗正切約為0.008）的蒸餾水作為天線介質(zhì)材料。隨著基板尺寸的增加，輻射阻抗和輻射電抗都減小了。因此，實(shí)驗(yàn)選用較大基板尺寸的介質(zhì)諧振天線來獲得較寬的匹配帶寬。結(jié)果說明，天線的諧振頻率隨著液體相對(duì)介電常數(shù)的增加而降低，這種性能為簡單測量液體介電常數(shù)提供了新方法。

Fayad等[24-25]報(bào)道了一種諧振頻率隨離子濃度變化的液體介質(zhì)諧振天線。使用聚氯乙烯（PVC）管構(gòu)建一個(gè)單極子天線，聚氯乙烯管內(nèi)充入離子液體。因?yàn)樘炀€的輻射效率可以表示為：，式中：L代表阻抗損耗；r代表著輻射阻抗。隨著水中鹽分的增加，天線的r減少，L保持常量，因此基本諧振頻率增加，但是回波損耗降低，天線的帶寬增強(qiáng)。

同時(shí)，PVC管的半徑，管內(nèi)離子液體的高度等因素，也可以調(diào)節(jié)介質(zhì)諧振天線的頻率和輻射。

與純水介質(zhì)諧振天線相比，在較高頻率（>1 GHz）處，純水的極性水分子隨著電場振蕩而發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致了具有相位差值的損耗。增加鹽分降低了介電響應(yīng)（實(shí)部和虛部）[26-27]，離子不影響天線的電導(dǎo)率，僅僅調(diào)節(jié)天線的介電性能，具有更高的實(shí)用性。

如圖4，Huff等[28]制造了一個(gè)可調(diào)分散膠體介質(zhì)，使用聚碳酸酯管固定鈦酸鍶鋇膠體。通過改變膠體的高度來改變DRA的頻率和阻抗性能。

采用液體介質(zhì)諧振天線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固體介質(zhì)諧振天線，對(duì)天線工作頻率和輻射等性能的調(diào)節(jié)更加方便，但是額外配置的抽水泵增加了整個(gè)天線的尺寸。

圖4 可調(diào)膠體介質(zhì)諧振天線

2.4 增加空氣帶隙

Apperley等[29]提出了一種新的利用空氣隙來實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)的介質(zhì)諧振天線。在DRA和基板間填充通道，通過移動(dòng)輔助金屬塊，來調(diào)節(jié)諧振頻率，頻率調(diào)節(jié)范圍可達(dá)24.7%。

文獻(xiàn)[23]也驗(yàn)證了隨著水和基板之間的空氣帶隙的增加，整個(gè)介質(zhì)諧振天線的有效介電常數(shù)降低，導(dǎo)致天線諧振頻率的增加。

Voloshyn等[30]設(shè)計(jì)了一種由波導(dǎo)激發(fā)的頻率可調(diào)的環(huán)狀介質(zhì)諧振天線。改變垂直于介質(zhì)諧振天線輻射電場線方向的諧振半環(huán)之間空氣帶隙的尺寸，介質(zhì)諧振天線的頻率調(diào)節(jié)范圍可達(dá)30%，且不破壞整個(gè)天線的輻射效率和輻射方向，如圖5所示。

2.5 使用特殊介質(zhì)材料

Neto等[31]設(shè)計(jì)了一種基于納米結(jié)構(gòu)的鎳鐵氧體（NiFe2O4）的可調(diào)介質(zhì)諧振天線，通過改變外加偏置磁場，天線的諧振頻率可調(diào)，并且這種介質(zhì)諧振天線相比于傳統(tǒng)天線具有較低的尺寸，易于集成，缺點(diǎn)是較高的材料損耗和需要較大的直流偏置。

Wan等[32]研究了基于不同含量Fe2O3的Y3Fe5O12（YIG）鐵氧體的可調(diào)介質(zhì)諧振天線，諧振頻率隨著在YIG鐵氧體中FeO含量的增加而改變。

Petosa[33]報(bào)道了一種磁可調(diào)的介質(zhì)諧振天線，由鐵氧體材料制成的介質(zhì)諧振天線，分別改變沿著和垂直于天線方向施加偏置磁場，相對(duì)于沒有施加偏置的情況，獲得了最大的8%的上偏移頻率（平行偏置）和8%的下偏移頻率（垂直偏置）。

本課題組對(duì)熱調(diào)節(jié)介質(zhì)諧振天線做了一定的研究[34]。使用熱敏陶瓷CaTiO3作為介質(zhì)諧振器。由于CaTiO3的介電常數(shù)隨著溫度的升高而降低，因此，介質(zhì)諧振天線的頻率隨著溫度的升高而向高頻移動(dòng)。

這種方法為可調(diào)介質(zhì)諧振天線的商業(yè)化制造提供了方向。

2.6 使用開關(guān)（轉(zhuǎn)換）器件

PIN二極管是目前在頻率可調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電控開關(guān)器件。有著低價(jià)、低損耗、小尺寸、穩(wěn)定隔離、低寄生阻抗、快速轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)。最重要的是，PIN二極管開關(guān)能夠使用較低的功率來控制大的射頻信號(hào)[35]。變?nèi)荻O管可以通過改變偏置電流獲得連續(xù)的變化，是常用的電控器件，所以主要使用PIN二極管和變?nèi)荻O管作為開關(guān)器件來制造電控可調(diào)介質(zhì)諧振天線。

Petosa等[36]利用兩種不同形式的有源器件PIN二極管和變?nèi)荻O管開關(guān)分別制造了電控頻率分立可調(diào)介質(zhì)諧振天線和頻率可連續(xù)變化的介質(zhì)諧振天線。Desjardins等[37]在此基礎(chǔ)上使用雙邊導(dǎo)壁降低了由單邊導(dǎo)壁引起的交叉極化輻射模式，且PIN二極管和變?nèi)荻O管的DRA的可調(diào)范圍分別能達(dá)到91%和58%。

Danesh等[38-41]在電控可調(diào)介質(zhì)諧振天線設(shè)計(jì)和在無線系統(tǒng)中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了一系列的研究。使用兩個(gè)放置在反饋網(wǎng)絡(luò)上的PIN開關(guān)，天線可以在三個(gè)頻率間進(jìn)行調(diào)節(jié)尤其是當(dāng)兩個(gè)都處于開狀態(tài)時(shí)，天線的阻抗帶寬達(dá)到65%[38]。利用兩個(gè)二極管來連接三個(gè)不同的介質(zhì)諧振天線，合適的開關(guān)組合狀態(tài)獲得了適用于無線城域網(wǎng)WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)和無線局域網(wǎng)絡(luò)WLAN (Wireless Local Area Networks) （2.4，2.5，3.5，5，5.2和5.8 GHz）的可調(diào)介質(zhì)天線[39]。進(jìn)一步使用三個(gè)PIN開關(guān)連接四個(gè)完全相同的介質(zhì)諧振天線，得到頻率可以在1.60 GHz和2.71 GHz之間調(diào)節(jié)的介質(zhì)諧振天線，可用于LTE（Long Term Evolution）通用移動(dòng)通信技術(shù)的長期演進(jìn)無線廣域網(wǎng)WWAN（Wireless Wide Area Network）和無線局域網(wǎng)絡(luò)WLAN (Wireless Local Area Networks)[40]。使用U型微帶線來饋電，通過在一個(gè)臂上加載PIN開關(guān)，使得天線能夠在4.12 GHz和8.85 GHz兩個(gè)頻段來調(diào)節(jié)，并且兩個(gè)頻段都具有寬帶阻抗匹配（49%，25%），有利于多功能天線的研究和設(shè)計(jì)，如圖6[41]。

Hao等[42]設(shè)計(jì)了一種加載電容器和變?nèi)萜鞯念l率可調(diào)矩形介質(zhì)諧振天線?？梢酝ㄟ^加載元件和DRA和導(dǎo)電貼片的尺寸來調(diào)節(jié)頻率。尤其是對(duì)于變?nèi)萜骷虞d元件，可以通過調(diào)節(jié)變?nèi)萜鞯钠秒娏鱽韯?dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)頻率。

表1對(duì)介質(zhì)諧振天線的可調(diào)方法做了歸納，可調(diào)介質(zhì)諧振天線設(shè)計(jì)的途徑可分為電子開關(guān)、結(jié)構(gòu)改變、材料改變。

表1 介質(zhì)諧振天線可調(diào)方法

Tab.1 Tunable methods of dielectric resonant antenna

3 結(jié)束語

可調(diào)介質(zhì)諧振天線是無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，天線的性能直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。本文在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹了可調(diào)介質(zhì)諧振天線的研究方法，概述了相關(guān)調(diào)制思想和技術(shù)，最后分析了各種可調(diào)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)可調(diào)介質(zhì)諧振天線的設(shè)計(jì)提供思路。通過近年來可調(diào)介質(zhì)諧振天線的研究可以看出，可調(diào)介質(zhì)諧振天線的主要發(fā)展趨勢為天線的小型化和復(fù)合化，因此可以預(yù)期具有多種可調(diào)功能的介質(zhì)諧振天線在無線通信領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景。

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（編輯：陳渝生）

Progress in tunable dielectric resonator antennas

WANG Qingmin, ZHANG Jiameng, XU Jianchun, HAO Yanan, BI Ke

(School of Science, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Tunable dielectric resonator antenna (DRA) is one hot topic in the field of current wireless communication. In this paper, the development history and recent status of tunable DRA are introduced. The current research methods of tunable DRA are summarized and analyzed. Besides, the tunable techniques for loading parasitic conductors, loading parasitic slots, using liquid media, increasing the air band gap, using special dielectric materials, and using switch (switching) devices are introduced. Finally, the advantages and disadvantages of the tuning technology are analyzed.

tunable property; dielectric resonator antenna; review; resonant mode; radiation characteristics; wireless communication

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.003

TN826

A

1001-2028（2017）04-0015-06

2017-01-09

畢科

國家自然科學(xué)基金資助(No. 61575028；No.61574020；No. 51402163)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(No. 2015RC18)；信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京郵電大學(xué)）基金資助

畢科（1983－），男，山東淄博人，副教授，主要從事天線研究，E-mail: bike@bupt.edu.cn；王青敏（1992－），女，河北邯鄲人，博士研究生，主要從事天線研究，E-mail: wqm@bupt.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.003.html