一種寬帶棱臺(tái)形介質(zhì)諧振器天線的設(shè)計(jì)與研究

薛敬宏 何露茜 宋立眾 姚國國 霍紀(jì)兵

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

摘要：本文研究了一種棱臺(tái)形介質(zhì)諧振器天線。該天線使用棱臺(tái)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(shí)現(xiàn)阻抗匹配。通過設(shè)計(jì)介質(zhì)諧振器與梯形枝節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的性能要求。采用全波電磁仿真技術(shù)對(duì)該雙極化天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，在3.5～5.5GHz工作頻率范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振器天線的電壓駐波比小于2;在中心頻點(diǎn)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(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行加工測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該天線實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的輻射性能，驗(yàn)證了該介質(zhì)諧振器天線設(shè)計(jì)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(hào)：TJ765;TN82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(gè)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(diǎn)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?yàn)槠鋫鬏斔俾矢?、處理增益高、多徑分辨能力?qiáng)、隱蔽性好、低功耗、系統(tǒng)容量大、穿透能力強(qiáng)、定位能力強(qiáng)，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(gè)系統(tǒng)的工作效能。在實(shí)際工程實(shí)踐中，天線的設(shè)計(jì)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(biāo)，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(jì)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(jì)中，需要考慮的性能指標(biāo)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(biāo)使之滿足實(shí)際工程的需要是一個(gè)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(duì)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(jì)獲得了廣泛的研究。例如，尤文峰等人提出一種對(duì)圓錐天線的外部輪廓線進(jìn)行改進(jìn)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(jì)了一種帶有機(jī)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(shí)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(duì)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(shì)，改進(jìn)了一款工作頻率在4～10GHz的對(duì)數(shù)周期偶極子天線[10];樊際洲設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)周期天線設(shè)計(jì)的新方法，使天線增益變大，前后比和駐波比方面達(dá)到最佳[12];張加林設(shè)計(jì)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(jìn)行電磁耦合饋電，使天線在整個(gè)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(diǎn)，適合于實(shí)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(jì)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(diǎn)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(tái)形介質(zhì)諧振器天線的實(shí)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(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了加工測(cè)試，給出了具體的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)要求。

1棱臺(tái)形介質(zhì)諧振器天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(tái)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(shí)現(xiàn)阻抗匹配。本文設(shè)計(jì)的雙極化圓波導(dǎo)天線便于機(jī)械加工實(shí)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(tái)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(duì)介質(zhì)諧振器天線進(jìn)行參數(shù)建模，根據(jù)性能要求對(duì)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描和設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)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(shí)的輻射方向圖仿真結(jié)果，其中，每個(gè)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(tái)形介質(zhì)諧振器天線的加工測(cè)試

根據(jù)上述天線設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振器天線進(jìn)行了加工、組裝和測(cè)試，圖8所示為天線加工后的實(shí)物照片。

采用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)加工的介質(zhì)諧振器天線的輸入端電路特性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)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(gè)諧振點(diǎn)，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(jì)的介質(zhì)諧振器天線在3.5GHz，4.5GHz和5.5GHz時(shí)的輻射方向圖仿真結(jié)果，其中，每個(gè)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(gè)頻點(diǎn)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(shí)，在方向圖測(cè)試中，由于天線的測(cè)試安裝誤差以及天線的加工不理想等因素，測(cè)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(duì)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(jī)理，提出一種具有超寬帶輻射特性的小型化棱臺(tái)形介質(zhì)諧振器天線。通過棱臺(tái)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)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(lì)出寬帶的輻射場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了接近單向輻射的方向圖。對(duì)天線進(jìn)行電磁仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在3.5～5.5GHz的頻率范圍內(nèi)，技術(shù)指標(biāo)的仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期要求，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

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