超寬帶實(shí)用型介質(zhì)諧振器天線研究與設(shè)計(jì)

闞國錦+林文斌+鄭浩天+鄒德友

摘 要： 現(xiàn)代無線通信技術(shù)為了減少系統(tǒng)復(fù)雜性，對(duì)單一天線帶寬的性能要求越來越高，故設(shè)計(jì)一種具有實(shí)用性的超寬帶介質(zhì)諧振器天線（DRA）。該天線采用微帶線縫隙耦合饋電方式，通過微帶線給接地板上的矩形槽和“U”型槽饋電，然后通過槽將電流輸入到介質(zhì)諧振器中。為了防止電磁波的散射，在介質(zhì)諧振器背面附上寄生貼片，上部加入反射板，可以將天線的性能大幅度提高。該天線分別諧振在5.25 GHz和6.3 GHz，工作在4.6～6.8 GHz，其中5.1～5.9 GHz是WLAN波段，其阻抗帶寬達(dá)到了39%，因此具有很好的實(shí)用價(jià)值。該天線的仿真結(jié)果由電磁仿真軟件得到，通過Agilent Technology PNA N5245A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的回波損耗及增益，得到的測量結(jié)果和仿真結(jié)果吻合。

關(guān)鍵詞： 超寬帶； 介質(zhì)諧振器天線； 寄生貼片； 反射板

中圖分類號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）13?0077?03

Abstract： In order to reduce the system complexity， the modern wireless communication technology has high requirement for the performance of the single antenna bandwidth， therefore a practical UWB dielectric resonator antenna （DRA） was researched and designed. The microstrip line slot coupled feeding mode is adopted for the antenna. The feeding was performed for the rectangular slot and U?shaped slot in the earthing plate through the antenna. The current is input into the dielectric resonator through the slots. In order to prevent the scattering of electromagnetic wave， the parasitic patch is attached on the back of the dielectric resonator. The reflection plate is added on the top of the dielectric resonator to improve the performance of the antenna greatly. The antenna is resonated at 5.25 GHz and 6.3 GHz respectively， works at 4.6?6.8 GHz （5.1～5.9 GHz is the WLAN band）， its impedance bandwidth can reach up to 39%， and has perfect practical value. The simulation results of the antenna were obtained by means of the electromagnetic simulation software. The Agilent Technology PNA N5245A vector network analysis meter is used to measure the return loss and gain of the antenna. The obtained measured results are close to the simulation results.

Keywords： UWB； dielectric resonator antenna； parasitic patch； reflection plate

0 引 言

介質(zhì)諧振器天線（DRA）是天線家族重要的組成部分，并具有很好的設(shè)計(jì)及應(yīng)用前景。本文證實(shí)了介質(zhì)諧振器天線在無線電通信系統(tǒng)中的優(yōu)勢[1?3]。自1983年介質(zhì)諧振器天線提出后，在過去的30多年中科研人員進(jìn)行了大量的研究并取得了重大進(jìn)展。目前設(shè)計(jì)介質(zhì)諧振器天線，從形狀、可靠性、介電常數(shù)大小以及激勵(lì)方式上已經(jīng)可以靈活掌握。因?yàn)殚L方體介質(zhì)諧振器相比其他形狀（例如：圓柱形、圓臺(tái)型、半球形）的介質(zhì)諧振器具有交叉極化低和便于制作的優(yōu)勢，所以一般選擇長方體介質(zhì)諧振器來提高天線的性能[4]。

近年，無線電通信技術(shù)飛速發(fā)展，小型化、低交叉極化、低功率以及傳輸抗干擾能力成為天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。自從2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)允許3.1～10.6 GHz頻段的商業(yè)許可后，超寬帶天線的研究設(shè)計(jì)受到越來越多學(xué)者的關(guān)注[5]。并且介質(zhì)諧振器天線因具有帶寬大、尺寸小、重量輕、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于無線電通信領(lǐng)域。

本文提出的天線使用槽耦合饋電方式，微帶線通過接地板上開矩形和“U”型槽對(duì)介質(zhì)諧振器進(jìn)行饋電，然后利用介質(zhì)諧振器的特點(diǎn)發(fā)射接收電磁場與電磁波，為了防止電磁波的散射，分別在介質(zhì)諧振器背面附上寄生貼片和上端加入反射板來提高天線的回波損耗駐波比VSWR，增益Gain[6?9]。本天線可以運(yùn)用在5.1～5.9 GHz的頻帶Wireless Local Area Network（WLAN），并且避免了在其他頻段出現(xiàn)窄帶系統(tǒng)造成頻帶交疊的現(xiàn)象，從而不會(huì)出現(xiàn)超寬帶通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)在工作時(shí)產(chǎn)生沖突和相互干擾[10?11]的情況。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1和圖2所示。

電磁仿真軟件可以準(zhǔn)確地分析電磁場問題，能夠高精度的預(yù)測輸入阻抗。矩形槽口的大小和位置會(huì)影響天線的性能。一般情況下，矩形槽的長度為使介質(zhì)諧振器天線和微帶線工作在諧振頻率，并在該頻段內(nèi)充分耦合?？梢杂上铝薪?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：為槽的長度；為真空中的波長；為介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)；為介質(zhì)基板的介電常數(shù)。

矩形槽的寬度會(huì)影響天線后瓣的大小，為了避免后瓣過大，可以由如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

天線介質(zhì)板采用材料Rogers RT/duriod 5880TM，介電常數(shù)=2.2。介質(zhì)諧振器采用Rogers RO3010TM，介電常數(shù)=10.2。支撐柱采用teflon_based，其介電常數(shù)=2.08。通過調(diào)節(jié)天線各個(gè)參數(shù)從而得到優(yōu)化結(jié)果，最后得到的優(yōu)化尺寸如表1所示。

2 結(jié)果分析

圖3給出了仿真與測量結(jié)果的圖像。仿真結(jié)果顯示，該天線諧振在5.25 GHz和6.3 GHz，并且的阻抗帶寬達(dá)到了39%，能夠很好地覆蓋WLAN頻段。

圖4～圖7分別給出了諧振頻率5.25 GHz和6.3 GHz在E面和H面的仿真與測量輻射方向圖。從圖中可以看出測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

圖8給出了該天線的駐波比，可以看到在4.6～6.8 GHz駐波比在4.8～6.6 GHz駐波比由此說明該天線在WLAN頻段上工作性能優(yōu)異。

3 結(jié) 論

本文提出的具有寄生貼片和反射板的緊湊型超寬帶介質(zhì)諧振器天線可以運(yùn)用在WLAN頻段，并且在該頻段阻抗帶寬達(dá)到了39%。該天線在5～6 GHz頻帶的回波損耗S（1，1）和駐波比VSWR分別在-15 dB和1.5以下，最大增益達(dá)到了7.26 dBi，而且避免了頻帶交疊導(dǎo)致的超寬帶通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)在工作時(shí)的干擾和沖突，說明該天線在WLAN頻段工作具有很好的性能。此外，該天線便于制作、尺寸小、易于與電路集成，因此具有較好的使用價(jià)值。

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