U 形微帶饋電的圓柱形介質(zhì)諧振器天線

趙思雨，姬五勝，周祥偉，程琳琳

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

無線通信技術(shù)已經(jīng)從第1 代（1G）迅速發(fā)展到了第5 代（5G），5G 已經(jīng)滲透到人們的日常生活中，其高速的毫米波通信技術(shù)正在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展[1]，隨著6 GHz 以下頻譜資源的日益緊張，5G 系統(tǒng)將進(jìn)一步把頻譜資源擴(kuò)展至100 GHz 的頻段[2]。我國(guó)公布的5G 技術(shù)毫米波的試驗(yàn)頻段有24.75～27.5 GHz 和37～42.5 GHz，這些頻段毫米波的應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[3]。毫米波具有波長(zhǎng)短、頻帶寬、信息容量大、頻譜資源豐富、傳輸特性良好等[4]優(yōu)勢(shì)，因此受到全世界研究機(jī)構(gòu)及通信企業(yè)關(guān)注，許多軍用與民用系統(tǒng)的工作頻率已擴(kuò)展到毫米波頻段。在工作于毫米波的天線中，介質(zhì)諧振器天線（die-lectric resonator antenna，DRA）的出現(xiàn)，替代了傳統(tǒng)的低增益元件，其選用的介質(zhì)材料介電常數(shù)為2～140，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，介質(zhì)諧振器天線因其特有的優(yōu)勢(shì)，如損耗小、饋電方式多樣、輻射效率高等優(yōu)點(diǎn)，引起了學(xué)術(shù)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注[5]，介質(zhì)諧振器的形狀有多種，如圓柱形[6]、矩形[7]、半球形[8]等。

介質(zhì)諧振器天線有多種優(yōu)化以及饋電的方法，如采取H 形、環(huán)形以及組合縫隙等多種優(yōu)化的方式[9]，采取同軸、微帶線、L 形探針[10]、橢圓形共面探針[11]以及倒梯形共面探針[12]進(jìn)行饋電等方法。缺陷地結(jié)構(gòu)（defected ground structure，DGS）于20 世紀(jì)90 年代提出[13]，通過調(diào)節(jié)缺陷地結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化介質(zhì)諧振器天線的性能。文獻(xiàn)[14]將缺陷地結(jié)構(gòu)與U 形微帶線結(jié)合，優(yōu)化介質(zhì)諧振器的天線，使天線達(dá)到較好的增益和回波損耗。本文主要研究圓柱形介質(zhì)諧振器天線，圓柱形介質(zhì)諧振器已在微波電路有諸多應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)的緊湊性以及高品質(zhì)因數(shù)Q 值，使其成為毫米波天線的理想選擇。圓柱形DRA 具有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率和帶寬的調(diào)節(jié)[15]。

1 圓柱形介質(zhì)諧振器天線設(shè)計(jì)

1.1 介質(zhì)諧振器天線的工作機(jī)理

介質(zhì)諧振器是一個(gè)輻射體，介質(zhì)諧振器天線通常選用特定幾何形狀的介質(zhì)諧振器加饋電結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，通過饋電結(jié)構(gòu)，把電磁波耦合到介質(zhì)諧振器上，激勵(lì)介質(zhì)諧振器產(chǎn)生多種諧振模式，從而介質(zhì)諧振器天線通過整個(gè)諧振器的表面進(jìn)行輻射。介質(zhì)諧振器天線主要有以下幾種特征：介質(zhì)諧振器天線的大小與λ0/εr成正比，其中：λ0為自由空間波長(zhǎng)；εr為材料的介電常數(shù)。當(dāng)介電常數(shù)固定時(shí)，諧振頻率以及品質(zhì)因數(shù)Q 值也會(huì)受到介質(zhì)諧振器天線的尺寸比例影響，從而增加了設(shè)計(jì)的靈活性；通過選擇具有低損耗的介電材料，即使在毫米波頻率下，由于沒有表面波的損耗，也可以保持較高的輻射頻率；介質(zhì)諧振器天線可以使用多種饋電機(jī)制，包括探針、槽、微帶線以及共面波導(dǎo)等方法；在介質(zhì)諧振器天線中，可以激發(fā)多種模式，產(chǎn)生定向或者全向輻射模式。

1.2 圓柱形介質(zhì)諧振器天線

圓柱形介質(zhì)諧振器天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由圖1可知，天線的饋電方式為微帶饋電，并采用兩邊饋電的形式，有效地增加了天線的帶寬。該天線通過U 形微帶線激勵(lì)介質(zhì)諧振器，使介質(zhì)諧振器與空氣的界面近似于開路面，此時(shí)圓柱形介質(zhì)諧振器的表面可看成磁壁，電磁波在界面上的反射系數(shù)接近于1，使其成為一個(gè)諧振腔。將介質(zhì)諧振器放在自由空間中，使其處于輻射模式，從而可以輻射電磁波。設(shè)計(jì)采用的介質(zhì)諧振器材料的介電常數(shù)為7，能夠減少暴露，使大部分電磁場(chǎng)集中在介質(zhì)諧振器中。相比于傳統(tǒng)的圓柱形介質(zhì)諧振器天線，本文所設(shè)計(jì)的天線由于其饋電結(jié)構(gòu)和缺陷地結(jié)構(gòu)等方面的影響，仿真結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)的、尺寸相同的圓柱形介質(zhì)諧振器天線。

圖1 圓柱形介質(zhì)諧振器天線的結(jié)構(gòu)

天線介質(zhì)基板的材料選用Rogers RT/duroid 5880（tm），介電常數(shù)εr1=2.2，長(zhǎng)、寬、高分別為l1=10 mm、w1=15 mm、h=0.508 mm。圓柱形介質(zhì)諧振器的中間部分通過與其截面同樣大小的圓形孔垂直嵌入到介質(zhì)基板中，兩端暴露在空氣中；圓柱形介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)εr2=7，高度h1=8.5 mm，半徑r1=1.45 mm。

天線采用微帶線的饋電方式，并且在微帶線右側(cè)采用切割1/2 圓環(huán)的方法設(shè)計(jì)為U 形；l2為微帶線的長(zhǎng)度，w2為微帶線的寬度，l2=6.96 mm，w2=0.6 mm；rd為圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外半徑，rx為內(nèi)半徑，rd=3 mm，rx=2 mm，U 形微帶線的寬度為1 mm。

圖1（c）中為缺陷地結(jié)構(gòu)，該缺陷地結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在接地面上減去一個(gè)圓形孔，圓形的半徑rdgs=1.8 mm，略微大于圓柱形介質(zhì)諧振器的半徑。該結(jié)構(gòu)可以增加天線的阻抗帶寬，優(yōu)化回波損耗S11參數(shù)。

2 圓柱形介質(zhì)諧振器天線特性分析

2.1 確定天線饋線的微帶線寬度

利用Txline2003 軟件計(jì)算平行微帶線的寬度，利用Ansoft HFSS 15 電磁仿真軟件對(duì)介質(zhì)諧振器天線進(jìn)行優(yōu)化和分析。本文中天線有U 形微帶線和缺陷地結(jié)構(gòu)，主要影響天線的回波損耗S11和天線的方向圖增益等性能，通過調(diào)節(jié)參數(shù)rdgs、rx以及rd，優(yōu)化天線的回波損耗S11和天線增益等。

Txline2003 軟件可以在已知基片材料、基片厚度、天線中心工作頻率以及微帶線特性阻抗的情況下，計(jì)算出微帶線的最佳寬度。在Txline2003 軟件的Microsrtip界面上，選用介電常數(shù)εr2=7，損耗角正切值為1，50 Ω微帶線，0.508 mm 的高度以及諧振頻率42.5 GHz 的天線材料后，計(jì)算得到天線饋線的平行微帶線最佳寬度為0.6 mm。

2.2 缺陷地結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)S11參數(shù)的影響

天線的回波損耗S11隨參數(shù)rdgs的變化曲線如圖2所示。

圖2 缺陷地結(jié)構(gòu)對(duì)S11 參數(shù)的影響

取rdgs即缺陷地結(jié)構(gòu)的圓形半徑參數(shù)分別為1.7 mm、1.8 mm、1.9 mm 以及2.0 mm，通過仿真軟件HFSS 進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果顯示，當(dāng)參數(shù)rdgs=1.8 mm 時(shí)，回波損耗S11參數(shù)最好，S11能夠到達(dá)-42.71 dB，且天線的阻抗帶寬（S11<-10 dB）能夠達(dá)到3.53%，中心頻率達(dá)到42.5 GHz，即最終選擇rdgs=1.8 mm。

2.3 圓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)S11參數(shù)的影響

U 形微帶線的寬度對(duì)S11參數(shù)的影響如圖3 所示。從圖3（a）可知，rx參數(shù)變化對(duì)回波損耗S11的影響。取rx即圓環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)半徑的值分別為1.9 mm、2.0 mm、2.1 mm，可以看出，隨著rx的增大，介質(zhì)諧振器天線的中心頻率會(huì)降低，當(dāng)rx=2.0 mm 時(shí)，介質(zhì)諧振器天線的回波損耗S11最佳，其回波損耗S11能夠達(dá)到-42 dB，天線的阻抗帶寬（S11<-10 dB）為3.76%，且中心頻率為42.5 GHz，此時(shí)rd=3 mm，rd-rx=1 mm，即U 形微帶線的寬度為1 mm。從圖3（b）可知，rd參數(shù)變化對(duì)回波損耗S11的影響，取rd即圓環(huán)結(jié)構(gòu)外半徑的值分別為2.9 mm、3.0 mm、3.1 mm，可以看出，隨著rd的增大，介質(zhì)諧振器天線的中心頻率會(huì)降低，當(dāng)rx=3.0 mm時(shí)，介質(zhì)諧振器天線的回波損耗S11最佳，其回波損耗S11能夠達(dá)到-42.7 dB，天線的阻抗帶寬（S11<-10 dB）為3.76%，且中心頻率為42.5 GHz，此時(shí)rx=2.0 mm，rd-rx=1 mm，即U 形微帶線的寬度為1 mm。

圖3 U 形微帶線的寬度對(duì)S11 參數(shù)的影響

2.4 圓柱形介質(zhì)諧振器天線的方向圖

利用Ansoft HFSS 15 電磁仿真軟件，對(duì)天線的方向圖進(jìn)行仿真，3D 方向圖如圖4 所示，2D（H-E）方向圖如圖5 所示。

圖4 圓柱形介質(zhì)諧振器天線的3D 方向圖

圖5 圓柱形介質(zhì)諧振器天線的2D（H-E）方向圖

本設(shè)計(jì)天線采用了缺陷地（DGS）結(jié)構(gòu)，故會(huì)存在少量的輻射。由圖5 可知，該天線在中心頻率42.5 GHz時(shí)增益最高可達(dá)到7.34 dBi。該增益值對(duì)天線而言，屬于較高增益，能夠很好地將能量有效集中，這表明所設(shè)計(jì)的天線有較強(qiáng)的輻射和接收電磁波的能力。

2.5 圓柱形介質(zhì)諧振器天線的S11參數(shù)以及軸比

優(yōu)化后的天線回波損耗S11的結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，天線的回波損耗（S11<-10 dB）的帶寬為41.8～43.4 GHz，中心頻率為42.5 GHz，相對(duì)阻抗帶寬為3.76%。使天線的工作頻帶達(dá)到了毫米波頻段，擁有較好的天線性能。

圖6 圓柱形介質(zhì)諧振器天線的S11 參數(shù)

介質(zhì)諧振器天線在42.5 GHz 的軸比曲線（AR<3 dB）如圖7 所示。從圖7 可以看出，在42.5 GHz 時(shí)，俯視角在50°～64°以及115°～121°，實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化，但該圓極化范圍較窄，仍要繼續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)天線較好的圓極化性能。

圖7 天線在42.5 GHz 的軸比曲線

圓柱形介質(zhì)諧振天線的最終幾何參數(shù)值如表1所示。本文設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振器天線的部分參數(shù)與文獻(xiàn)[5]的比對(duì)如表2 所示。

表1 介質(zhì)諧振器天線的幾何參數(shù)

表2 本文設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振器天線的部分參數(shù)與文獻(xiàn)[5]的比對(duì)

從表2 可以看出，本文設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振器天線工作頻段遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[5]中U 型微帶饋電的圓極化介質(zhì)諧振器天線的工作頻段，天線增益略高于文獻(xiàn)[5]中天線的增益，但相對(duì)帶寬比文獻(xiàn)[5]中天線較低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種工作在毫米波頻段的圓柱形介質(zhì)諧振器天線的設(shè)計(jì)方案，該方案利用U 形微帶線進(jìn)行饋電，并且加入了缺陷地結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)U 形微帶線以及缺陷地結(jié)構(gòu)的尺寸，實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)諧振器天線的性能優(yōu)化。該介質(zhì)諧振器天線仍存在一些不足之處，如天線的圓極化不夠好，實(shí)現(xiàn)圓極化的頻段較窄，擬通過改變?nèi)毕莸亟Y(jié)構(gòu)形狀以及加入微帶線枝節(jié)進(jìn)行改善，有待于后續(xù)進(jìn)一步研究。