一種低剖面輪廓的超寬帶介質(zhì)諧振器天線設(shè)計(jì)

宋志偉， 李爾平， 鄭宏興， 王蒙軍

(1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))，天津 300130；2.河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))，天津 300130；3.浙江大學(xué) 先進(jìn)微納電子器件智能系統(tǒng)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；4.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

隨著無線通信設(shè)備種類的增多，特別是移動終端電子設(shè)備的功能越來越多，而設(shè)備本身的空間極其有限，不可能在一個(gè)有限的空間里集成多個(gè)單一孔徑天線，利用超寬帶天線能有效的緩解設(shè)計(jì)上述設(shè)備的壓力。超寬帶天線設(shè)計(jì)過程中的挑戰(zhàn)性問題有很多，例如：如何獲得足夠的帶寬，如何避免工作頻段內(nèi)其他無線通信信號對其造成干擾，如何在整個(gè)工作頻段內(nèi)保持輻射方向圖的一致性以避免在發(fā)射和接收過程中出現(xiàn)不必要的信號損失，如何保持增益穩(wěn)定性等等[1]。除此之外，低剖面設(shè)計(jì)也是非常重要的。現(xiàn)在經(jīng)常使用的無線通信設(shè)備包括智能手機(jī)、平板電腦等。這些設(shè)備的體積很小、厚度有限(智能手機(jī)的厚度一般小于8 mm)。在這么薄的空間中既要安裝屏幕、集成電路板、外殼等，又要安裝天線，因此應(yīng)對天線做低剖面設(shè)計(jì)。

長期以來，超寬帶天線的研究工作是圍繞貼片和縫隙結(jié)構(gòu)展開的[2-8]，但此類天線受導(dǎo)體損耗的影響，輻射效率較低。介質(zhì)諧振器天線 (dielectric resonator antenna, DRA)的任何不與金屬接觸的面都可以輻射電磁波，且具有低色散損耗、質(zhì)量輕、體積小及對制造公差不敏感等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的關(guān)注。然而介質(zhì)諧振器有很高的Q值，作為天線的輻射體，其帶寬較窄。此外，文獻(xiàn)中常見的DRA剖面較高，很難應(yīng)用到小型移動通信設(shè)備[9-17]。

為解決上述問題，研究了一種薄片結(jié)構(gòu)的介質(zhì)諧振器天線，用加入形變的共面波導(dǎo)激勵薄片等邊三角形介質(zhì)諧振器，通過激勵天線的基模和鄰近的高階模獲得超寬帶特性。采用共面波導(dǎo)和薄片結(jié)構(gòu)，大幅降低了天線的剖面輪廓，而且獲得了較高的增益和輻射效率，并有效地抑制了天線的交叉極化。

1 天線結(jié)構(gòu)及輻射特性分析

低剖面輪廓的超寬帶等邊三角形DRA的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，天線由等邊三角形介質(zhì)諧振器、共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)及矩形介質(zhì)基板組成。共面波導(dǎo)饋電系統(tǒng)為單面結(jié)構(gòu)，易與單片微波集成電路集成[18]。在共面波導(dǎo)的接地面上對稱的加入2個(gè)矩形凹陷，可改善天線的阻抗匹配，并可調(diào)諧天線的輻射性能。

圖1 等邊三角形DRA結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometry of the proposed equilateral triangular DRA

在共面波導(dǎo)頂部加入形變可以調(diào)諧等邊三角形DRA的工作頻率。此外，研究表明相對于同體積的矩形介質(zhì)諧振器，等邊三角形介質(zhì)諧振器具有更低的工作頻率，即在相同工作頻段，使用高介電常數(shù)介質(zhì)材料更少[19]，能夠一定程度的減小天線的體積、重量和降低成本。再者，等邊三角形介質(zhì)諧振器和正方形金屬片為完全對稱結(jié)構(gòu)，有利于降低天線的交叉極化。

為了達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，將圖1的結(jié)構(gòu)用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(high frequency structure simulator, HFSS)進(jìn)行仿真，并使用參數(shù)掃描功能找到了天線具有較好輻射特性時(shí)所應(yīng)選取的各個(gè)參數(shù)值，并將變量及其值列入表1。將天線選擇最佳參數(shù)值時(shí)獲得的S11仿真結(jié)果示于圖2(帶方塊的線)。此外，由于S11的最小值點(diǎn)可能并沒有與實(shí)際的工作頻點(diǎn)相應(yīng)，因此為了更準(zhǔn)確的分析天線的工作模式，將天線的輸入阻抗實(shí)部的仿真結(jié)果也示于圖2(帶三角的線)?？梢?， 天線覆蓋了3.1～10.85 GHz頻段，有4.27 GHz和8.99 GHz 2個(gè)工作頻點(diǎn)。

表1 DRA的最終參數(shù)Table 1 The final parameters of the proposed DRA

圖2 DRA的S11和輸入阻抗實(shí)部仿真結(jié)果Fig.2 The simulated S11 and input impedance real part

此外，將仿真得到的天線的交叉極化和同極化方向圖示于圖5。其中左圖為電場輻射，右圖為磁場輻射，圖中帶圓點(diǎn)的線和帶三角的線分別對應(yīng)4.27 GHz和8.99 GHz 2個(gè)工作頻點(diǎn)，帶實(shí)心圖案的線代表同極化，帶空心圖案的線代表交叉極化。顯然，在仿真的2個(gè)工作頻點(diǎn)天線的方向圖具有較好的一致性。電場輻射的同極化變化很小，交叉極化均低于-40 dB，磁場輻射的同極化保持了很好的全向性和一致性，交叉極化均低于-20 dB。由圖5可知，天線在整個(gè)工作帶寬內(nèi)具有良好的全向性和交叉極化，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖3 DRA在4.27 GHz工作頻點(diǎn)的電磁場分布Fig.3 Electromagnetic fields distribution of the DRA at 4.27 GHz (from HFSS)

圖4 DRA在8.99 GHz工作頻點(diǎn)的電磁場分布Fig.4 Electromagnetic fields distribution of the DRA at 8.99 GHz (from HFSS)

注：—為4.27 Hz交叉極化； —為4.27 Hz同極化； —為8.99 Hz交叉極化； —為8.99 Hz同極化。圖5 DRA在2個(gè)工作頻點(diǎn)的交叉極化和同極化方向Fig.5 Cross-and co-polarization radiation patterns of the DRA at two operating frequencies (from HFSS)

2 尺寸設(shè)計(jì)及電性能分析

在天線的設(shè)計(jì)過程中，天線的幾何參數(shù)和電參數(shù)的變化對其輻射特性有很大的影響。

2.1 共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)變化仿真分析

在此設(shè)計(jì)中，共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)引入了形變，即在中心微帶線的頂端加入正方形金屬片。為了驗(yàn)證這種改變對天線性能的影響，將S11的仿真結(jié)果示于圖6。可見，當(dāng)共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)中間為直微帶饋線時(shí)，天線有2個(gè)工作頻點(diǎn)，覆蓋帶寬達(dá)到了3∶1，但工作頻段很高。當(dāng)共面波導(dǎo)加入形變后，天線很好的覆蓋了3.1～10.6 GHz頻率范圍，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)加入形變后天線的工作頻率顯著下降，是因?yàn)殡娏髀窂矫黠@變長所致。此外，當(dāng)共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)引入形變后，相關(guān)頻率范圍阻抗匹配明顯變好，可見采用這種饋電結(jié)構(gòu)是必要的。

2.2 等邊三角形介質(zhì)諧振器尺寸變化仿真分析

當(dāng)?shù)冗吶切谓橘|(zhì)諧振器的邊長(a)或厚度(d)改變時(shí)，DRA的S11仿真結(jié)果示于圖7。3條帶符號的線表示邊長的變化對S11的影響?？梢婋S著邊長的增大，工作帶寬減小，工作頻率降低，原因是高介電常數(shù)等邊三角形介質(zhì)諧振器體積增大所致。當(dāng)a=11.9 mm時(shí)，天線具有較寬的阻抗帶寬及較理想的阻抗匹配。3條無符號的線表示厚度變化對天線S11的影響。隨著厚度的增大，高頻工作頻點(diǎn)的中心頻率變化顯著，是因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中使用的是薄片等邊三角形介質(zhì)諧振器，其厚度只有0.762 mm，因此厚度的變化帶來了介質(zhì)諧振器體積的顯著變化。此外，由于高介電常數(shù)等邊三角形介質(zhì)諧振器體積增大導(dǎo)致了天線的工作帶寬的明顯變小。當(dāng)d=0.762 mm時(shí)，天線具有較寬的阻抗帶寬及較理想的阻抗匹配。此外，由于等邊三角形介質(zhì)諧振器是薄片結(jié)構(gòu)，故其厚度變化對天線性能的影響更顯著[19]。

圖6 共面波導(dǎo)有/無形變時(shí)等邊三角形DRA的S11Fig.6 The S11 of the equilateral triangular DRA when co-plane waveguide with or without deformation

圖7 介質(zhì)諧振器的邊長或厚度變化時(shí)DRA的S11Fig.7 The S11 of the DRA when equilateral triangular dielectric resonator side-length or thickness changes

2.3 介質(zhì)諧振器電參數(shù)變化仿真分析

天線的電參數(shù)對其輻射特性也有很顯著的影響。限于篇幅，此處著重研究等邊三角形介質(zhì)諧振器的相對介電常數(shù)εr2變化對天線輻射性能的影響。 當(dāng)εr2變化時(shí)等邊三角形DRA的S11和增益的仿真結(jié)果示于圖8。其中，3條帶符號的線表示DRA的S11仿真結(jié)果?？梢姡S著εr2的增大，低頻工作頻點(diǎn)的中心頻率和阻抗匹配幾乎無變化，高頻工作頻點(diǎn)向低頻方向移動，阻抗匹配變好，但天線的工作帶寬變窄。綜合考慮工作帶寬和阻抗匹配2個(gè)因素，選擇相對介電常數(shù)為20的介質(zhì)材料較為合適。圖8中3條無符號的線表示等邊三角形介質(zhì)諧振器DRA的增益仿真結(jié)果。顯然，當(dāng)εr2=20時(shí)，天線在整個(gè)工作頻帶內(nèi)有較高的增益和較好的增益穩(wěn)定性。故所選的等邊三角形介質(zhì)諧振器的相對介電常數(shù)為20。

圖8 介質(zhì)諧振器介電常數(shù)變化時(shí)DRA的S11和增益Fig.8 The S11 and gain of the DRA when dielectric resonator permittivity changes

3 天線測量結(jié)果分析

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)制作了等邊三角形DRA實(shí)物如圖9所示，并對其輻射特性進(jìn)行了測試。使用安捷倫PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(N5 244 A)測量了等邊三角形DRA的S11、增益和VSWR，分別示于圖10和圖11。如圖10所示，仿真中天線的阻抗帶寬為105%，覆蓋3.1～10.85 GHz；測量中的阻抗帶寬為130%，覆蓋2.42～11.53 GHz，比仿真結(jié)果略寬，然而在10.19～10.42 GHz頻段天線的S11略高于-10 dB，但在該范圍內(nèi)VSWR小于2(見圖11)，所以仍能滿足工程需要。圖11所示的VSWR(2條帶符號的線)變化情況與圖10所示的S11變化情況相吻合。圖11所示的增益(2條無符號的線)在整個(gè)工作帶寬內(nèi)隨著頻率的增加而增加，且保持了較高的增益水平。在上述2圖中，測量的結(jié)果與仿真結(jié)果形狀接近但有一些偏差，為測試過程中連接線的不完全匹配、制造公差及不理想的測試環(huán)境所致。特別是高頻段更易受連接誤差的影響。

圖9 天線實(shí)物Fig.9 The fabricated antenna

圖10 等邊三角形DRA的S11仿真結(jié)果與測量結(jié)果比較Fig.10 Comparison of the simulated and measured S11 of the equilateral triangular DRA

圖11 DRA的VSWR和增益的仿真與測量結(jié)果Fig.11 The Simulated and measured VSWR and gain of the DRA

為了明確起見，把所設(shè)計(jì)的天線與一些參考文獻(xiàn)中的天線做了比較，結(jié)果列于表2。其中，λ0為最低工作頻率所對應(yīng)自由空間中的波長。比較結(jié)果表明，此等邊三角形DRA有最低的剖面。此外，雖然本設(shè)計(jì)中使用了相對介電常數(shù)較大的復(fù)合介質(zhì)材料，但依然有較好的阻抗帶寬。

表2等邊三角形DRA與文獻(xiàn)中DRA的比較

Table2Comparison of the proposed equilateral triangular DRA and the reported DRAs

相對介電常數(shù)波長(λ0)阻抗帶寬/GHz阻抗帶寬/%參考文獻(xiàn)100.0976.6～18.595[9]10.20.1936.95～12.366[10]100.0835～21126[11]10.20.0553.25～10.82108[12]10.20.052.94～11.34118[13]9.80.4186.3～6.77[14]3.5,4.90.068～1240[15]10.20.3434.6～6.839[16]N/AN/A3.5～5.544.4[17]200.0122.42～11.53130本文

利用OBT6微波暗室測量了天線的輻射方向圖，將測量結(jié)果與仿真結(jié)果示于如圖12。可見，電磁場的同極化符合的很好，交叉極化存在一些誤差。是因?yàn)榻徊鏄O化很小，故受制造誤差、測試環(huán)境及測試手段的影響較大。遠(yuǎn)場方向圖的測量結(jié)果與預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)相符。

注：—仿真交叉極化； —測量交叉極化； —仿真同極化； —測量同極化。圖12 測量的和仿真的DRA在2個(gè)工作頻點(diǎn)的交叉極化和同極化方向圖Fig.12 The measured and simulated cross-and co-polarization radiation pattern of the DRA at the two operating frequencies

4 結(jié)論

1)剖面低，僅為0.012λ0，使用該方法設(shè)計(jì)的DRA能夠很好的滿足小型無線通信設(shè)備的應(yīng)用需求，特別是對剖面厚度要求極嚴(yán)苛的情況。

3)天線的交叉極化很小，磁場交叉極化低于-20 dB，電場交叉極化低于-40 dB。

4)天線所占面積為19.5 mm×28 mm，測量帶寬為130%，覆蓋2.42～11.53 GHz，且具有很好的全向性。