曾小虎，葛悅禾

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021）

天線小型化和帶寬展寬技術(shù)是天線設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容.以往天線工程師為了減小天線尺寸，不得不使用窄帶天線.隨著無線系統(tǒng)性能的不斷提高，工程師們一直嘗試設(shè)計(jì)具有小尺寸和寬帶性能的天線，而介質(zhì)諧振器天線是一個(gè)較好的選擇.早在1983年，介質(zhì)諧振器就被用作輻射單元［1］.之前，無負(fù)載的高Q值介質(zhì)諧振器在微波電路中已經(jīng)廣泛運(yùn)用.介質(zhì)諧振器的帶寬、高輻射效率、極化方式和低剖面等性能都已得到深入研究［2－6］.使用高介電常數(shù)的介質(zhì)諧振器可使天線小型化，但會(huì)減小天線的帶寬.因此，需要額外的技術(shù)來減小介質(zhì)諧振器天線尺寸［2，7－9］.為了降低天線的復(fù)雜度和減小天線尺寸，許多研究人員通過在介質(zhì)諧振器和地面之間加入多層介質(zhì)板來拓寬天線的帶寬.研究表明：在介質(zhì)諧振器底部和地面之間引入一層低介電常數(shù)介質(zhì)板，可有效輻射并提高帶寬［7，10］.在前期設(shè)計(jì)的超寬帶介質(zhì)諧振器天線［7］中，超寬帶范圍內(nèi)有多個(gè)頻率點(diǎn)的駐波比超過2，使天線在這些頻率點(diǎn)不能很好匹配.本文運(yùn)用新技術(shù)改進(jìn)超寬帶介質(zhì)諧振器的阻抗匹配，并進(jìn)一步提高天線的超寬帶帶寬.

圖1 介質(zhì)諧振器天線的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the dielectric resonator antenna

1 超寬帶介質(zhì)諧振器天線的設(shè)計(jì)

改進(jìn)文獻(xiàn)［7］的疊層超寬帶介質(zhì)諧振器天線，進(jìn)一步提高帶寬和阻抗匹配.文中設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振器天線結(jié)構(gòu)，如圖1所示.圖1中：a為12mm；b為8 mm；c＋h1為12mm；d為3mm；h－d為1.9mm；空氣縫隙的尺寸gd，gh，h1，以及與探針短接的正方形金屬貼片的邊長s為待定參數(shù).介質(zhì)諧振器天線由矩形介質(zhì)諧振器和低介電常數(shù)的薄介質(zhì)片以及金屬地面組成.介質(zhì)諧振器和介質(zhì)片堆疊在地面上方，金屬探針通過地面，穿過介質(zhì)片，伸入介質(zhì)諧振器進(jìn)行饋電.同時(shí)，在介質(zhì)諧振器下表面或者介質(zhì)片上表面探針位置處放置1個(gè)正方形的薄金屬片，與探針短接.介質(zhì)諧振器一側(cè)的下部被切去1個(gè)四面體，當(dāng)其安置在薄介質(zhì)片上時(shí)，切去的部分成為空氣間隙.在空氣間隙一側(cè)短接1個(gè)金屬導(dǎo)體板，該導(dǎo)體板短接地面.

在介質(zhì)諧振器和地面之間插入低介電常數(shù)薄介質(zhì)片可使介質(zhì)諧振器和地面隔離，從而提高天線的帶寬，降低介質(zhì)諧振器的Q值.在一側(cè)放置短接地面的金屬板，可以視為1個(gè)等效地面.根據(jù)鏡像原理，介質(zhì)諧振器天線的尺寸在某些工作模式下可以減小一半［7］.在薄介質(zhì)片之間引入空氣間隙，在介質(zhì)片上表面加入與探針短接的金屬片，不僅增加了天線帶寬，還提高了天線帶內(nèi)的阻抗匹配.

對(duì)設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振器天線進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果均出自商業(yè)軟件Ansoft HFSS.金屬貼片和空氣間隙對(duì)天線駐波比（VSWR）的影響，如圖2所示.由圖2可知：當(dāng)不加金屬貼片和空氣間隙時(shí)，在3～10.6GHz頻帶內(nèi)，8，10GHz附近的阻抗匹配不好；當(dāng)加金屬貼片，不加空氣間隙時(shí)，10GHz附近的阻抗匹配不好；當(dāng)不加金屬貼片，加空氣間隙時(shí)，阻抗匹配性能可以接受，但由VSWR＜2確定的帶寬無法覆蓋到10.6GHz；當(dāng)加金屬貼片和空氣間隙時(shí)，在3～11.5GHz范圍內(nèi)，VSWR＜2，且阻抗匹配好于上述3種情況.

仿真研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)正方形貼片邊長s為3mm時(shí)，結(jié)果較好；當(dāng)s在3mm附近微小變化時(shí)，對(duì)帶寬和阻抗匹配結(jié)果影響不大.因此，s取3mm.當(dāng)gh為1mm，h1為2mm時(shí)，gd對(duì)駐波比的影響，如圖3所示.由圖3可知：當(dāng)gd為7～9mm時(shí)，天線的阻抗帶寬均較好，且gd越大，天線在高頻匹配越好.當(dāng)gd為7mm，h1為2mm時(shí)，gh對(duì)駐波比的影響，如圖4（a）所示.由圖4（a）可知：當(dāng)gh為3mm時(shí)，天線高頻段阻抗匹配較好；而取其他值時(shí)，天線在高頻時(shí)匹配較差.當(dāng)gd為7mm，gh為3mm時(shí)，h1對(duì)駐波比的影響，如圖4（b）所示.由圖4（b）可知：當(dāng)h1為2mm時(shí)，天線頻帶內(nèi)匹配性能較好.

圖2 金屬貼片和空氣間隙對(duì)駐波比的影響Fig.2 Effects of the metallic patch and the air gap on the VSWR

圖3 gd對(duì)駐波比的影響 Fig.3 Effects of gdon the VSWR

圖4 gh，h1對(duì)駐波比的影響Fig.4 Effects of ghand h1on the VSWR

2 設(shè)計(jì)實(shí)例和結(jié)果

圖5 介質(zhì)諧振器天線實(shí)物Fig.5 Prototype of the proposed dielectric resonator antenna

由上文分析可得介質(zhì)諧振器天線的最佳參數(shù)：a為12mm；b為8mm；c為12mm；d為3mm；h為5.2mm；gh為1mm；gd為7mm，h1為2mm.介質(zhì)諧振器和薄介質(zhì)片的材料分別為Rogers TMM10，Rogers Duroid 5880，其介電常數(shù)分別為9.2，2.2.天線地面選用厚度為1 mm的鋁板，尺寸為100mm×100mm.介質(zhì)諧振器天線實(shí)物，如圖5所示.天線的一面用銅箔短路到地面.天線的阻抗匹配和輻射特性分別用E5071C型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（美國安捷倫科技有限公司）和近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)（美國NSI公司）進(jìn)行測(cè)試.

天線駐波比的測(cè)量值與仿真值，如圖6所示.理論上駐波比小于2的帶寬為2.95～11.70GHz，相對(duì)帶寬超過118%.在整個(gè)頻段內(nèi)測(cè)得的駐波比接近仿真值.其中的誤差來自于介質(zhì)諧振器的加工誤差.由于Rogers TMM10是一種陶瓷材料，較脆，在加工空氣縫隙和饋電探針的孔隙時(shí)存在較大的誤差.聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）超寬頻范圍內(nèi)天線增益的測(cè)量值，以及由商業(yè)軟件CST得出的增益理論值，如圖7所示.由圖7可知：在頻帶范圍內(nèi)，增益測(cè)量值和仿真值都在4～7dBi.

實(shí)測(cè)的輻射方向，如圖8所示.由圖8可知：在XOZ平面，方向圖在上述頻率下有相似之處；在YOZ平面，隨著頻率的不同，方向圖有一些改變.因?yàn)殡S著頻率的掃描，不同的諧振模式占據(jù)了主導(dǎo)地位.顯然，最大功率輻射方向?yàn)樯习肭颍赃@種類型的天線可用于定向和全向無線通信設(shè)備類型.

圖6 天線駐波比的仿真值和測(cè)量值 Fig.6 Measured and simulated VSWR

圖7 介質(zhì)諧振器天線增益的仿真值和測(cè)量值Fig.7 Measured and simulated gain of the dielectric resonator antenna

圖8 實(shí)測(cè)方向圖Fig.8 Measured radiation patterns

3 結(jié)束語

加入低介電常數(shù)薄介質(zhì)片，在介質(zhì)諧振器內(nèi)部引入空氣間隙，增加介質(zhì)諧振器天線的工作帶寬.在天線一側(cè)加入短接地面金屬壁，減少一半以上的天線體積.通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化參數(shù)，介質(zhì)諧振器天線具有超寬帶、高增益和低交叉極化的法向輻射的特點(diǎn).設(shè)計(jì)實(shí)例的實(shí)測(cè)帶寬可覆蓋完整的FCC頻帶，其2∶1的駐波比帶寬為4∶1（相對(duì)帶寬約118%）.該天線具有較小的橫截面尺寸12mm×8mm（0.124λ0×0.083λ0），高度為15.0mm（0.155λ0）.

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