郝宏剛,黃代利,李佳玉

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶 400065)

一種寬頻帶介質(zhì)諧振器天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

郝宏剛1*,黃代利2,李佳玉3

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶 400065)

提出了一種寬頻帶介質(zhì)諧振器天線的設(shè)計(jì)。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),通過調(diào)節(jié)諧振器尺寸與共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu),使各個(gè)工作模式的頻帶互相重疊,展寬所設(shè)計(jì)天線的帶寬;同時(shí)地板引入開槽技術(shù),對(duì)饋線進(jìn)行阻抗匹配。通過軟件仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果顯示:該天線頻帶寬度為2.98 GHz～7.18 GHz(S11<-10 dB),相對(duì)帶寬為84.3%,帶內(nèi)最大增益可達(dá)4.9 dBi,很好滿足WLAN/WIMAX通信系統(tǒng)對(duì)天線的應(yīng)用需求,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸小,易集成。

介質(zhì)諧振器天線;寬頻帶;共面波導(dǎo);WLAN;WIMAX

隨著無線通信事業(yè)的飛速發(fā)展,小尺寸,高效率,寬頻帶成為天線設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)[1-3],許多應(yīng)用程序,如數(shù)字廣播、視頻會(huì)議、衛(wèi)星通信、雷達(dá)應(yīng)用程序等都需要較寬的帶寬。介質(zhì)諧振器天線DRA(Dielectric Resonator Antenna)是近年來出現(xiàn)的一種新型天線,因其饋電形式多樣,方向圖易于調(diào)整,輻射效率高,尺寸小等突出特性受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[4-8]。但對(duì)DRA而言,在單一工作模式諧振時(shí),由于其高介電常數(shù),阻抗帶寬通常低于10%,無法滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)天線帶寬的要求,應(yīng)用范圍受到限制,因此增加額外的技術(shù),拓展天線的整體帶寬,顯得尤為重要。目前拓展DRA帶寬的方法主要有以下幾種:將兩個(gè)或多個(gè)介質(zhì)諧振器疊加,文獻(xiàn)[9]采用一個(gè)3層同心的半圓柱形介質(zhì)諧振器天線,通過調(diào)節(jié)各層介質(zhì)的介電常數(shù)和高度,相對(duì)帶寬達(dá)到91.89%,但這一方法對(duì)加工精度及工藝要求較高,不易推廣;采用特殊形狀的介質(zhì)諧振器,文獻(xiàn)[10]采用碗狀倒半球形DRA,阻抗帶寬可達(dá)86%。但這一方法,加工復(fù)雜,尤其當(dāng)使用介電常數(shù)較高的脆性材料時(shí);此外,介質(zhì)諧振器與單極天線的混合設(shè)計(jì)也可以獲得較大的帶寬,文獻(xiàn)[11]采用了環(huán)形介質(zhì)諧振器與平面印刷單極天線相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu),阻抗帶寬達(dá)到66.72%。在此基礎(chǔ)上,本文提出一種新型的環(huán)形介質(zhì)諧振器天線,采用共面波導(dǎo)的饋電機(jī)制,在地板部分引入L形槽和矩形槽,通過調(diào)節(jié)開槽的位置和尺寸,對(duì)饋線進(jìn)行阻抗匹配,使所設(shè)計(jì)天線在工作頻帶內(nèi),獲得良好的匹配特性。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為天線結(jié)構(gòu)圖,從圖中可以看出,該天線由圓環(huán)DRA和共面波導(dǎo)饋電的印刷單極天線兩部分組成。DRA通過環(huán)形貼片對(duì)其饋電,而環(huán)形貼片作為平面印刷單極天線本身就具有較寬的阻抗帶寬,因此采用這種混合結(jié)構(gòu)可以使所設(shè)計(jì)天線具有更寬的阻抗帶寬。介質(zhì)諧振器的形狀和尺寸對(duì)天線的阻抗帶寬有很大的影響,圓柱形介質(zhì)諧振器是比較常見的一種形式,由于其加工簡(jiǎn)單,應(yīng)用非常廣泛。但相對(duì)于圓柱DRA而言,圓環(huán)DRA相當(dāng)于在其內(nèi)部引入了空氣介質(zhì),降低了天線的整體Q值,在一定程度上可以擴(kuò)展天線阻抗帶寬。同時(shí),為了進(jìn)一步改善天線的阻抗匹配,在地板部分刻蝕L形槽和矩形槽,其目的主要是對(duì)饋線部分進(jìn)行阻抗匹配,通過調(diào)節(jié)槽的尺寸,可以改善天線的整體匹配程度。該天線印刷在介電常數(shù)ε1=4.4的聚四氟乙烯介質(zhì)基板上,損耗正切tanδ=0.02,基板厚度h=1 mm,尺寸為40 mm×35 mm,饋電部分為50 Ω的共面波導(dǎo),中心帶狀線寬度W1,帶狀線與地板之間的縫隙寬度g。環(huán)形DRA采用相對(duì)介電常數(shù)ε2=10.2的微波材料,內(nèi)外半徑分別為r5和r6,厚度hd=2 mm。此外,天線其他參數(shù)的具體尺寸,如表1所示。

表1 天線尺寸

2 天線的仿真與優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)和尺寸,建立相應(yīng)的仿真模型,并分析介質(zhì)諧振器形狀、尺寸以及地板開槽對(duì)天線性能的影響。

2.1 介質(zhì)諧振器對(duì)天線性能的影響

為了驗(yàn)證介質(zhì)諧振器對(duì)天線增益特性以及阻抗帶寬的影響。首先對(duì)比了加載諧振器與未加載諧振器的天線增益變化曲線圖,如圖2所示,諧振器的加入,使得天線在工作頻帶內(nèi)增益明顯提高。同時(shí),通過選擇不同諧振器形狀對(duì)比,如圖3為采用圓柱DRA和圓環(huán)DRA時(shí)天線S11曲線圖,可以發(fā)現(xiàn),圓柱DRA覆蓋頻率范圍2.8 GHz～6.8 GHz,圓環(huán)DRA覆蓋頻率范圍2.98 GHz～7.18 GHz,相比圓柱DRA而言,相對(duì)帶寬拓展了4%,且加工成本也有所降低。

圖2 增益曲線圖

圖3 S11曲線圖

此外,為了進(jìn)一步驗(yàn)證介質(zhì)諧振器對(duì)天線性能的影響,我們通過改變諧振器的高度hd,來觀察天線反射系數(shù)的變化。圖4為S11隨hd變化曲線圖,可以看出,hd對(duì)天線高頻段的反射系數(shù)有較大影響。當(dāng)hd在0.5 mm～3 mm之間變化時(shí),隨著高度的增加,天線的帶寬逐漸變窄,惡化了天線性能,且hd過高也會(huì)導(dǎo)致高頻段的方向圖畸變。

圖4 S11隨hd變化曲線圖

圖7 天線輻射方向圖

2.2 地板開槽對(duì)天線性能的影響

圖5為所設(shè)計(jì)尺寸不變,地板開L形槽和未開L形槽時(shí)天線輸入阻抗曲線圖。可以看出,L形槽的引入,對(duì)2.6 GHz～3.6 GHz這一工作頻段,阻抗匹配改善非常明顯。圖6為所設(shè)計(jì)尺寸不變,地板開矩形槽,S11隨矩形槽長(zhǎng)度l4變化曲線圖,可以看出,當(dāng)l4從1.5 mm變化到3 mm時(shí),對(duì)天線的整體回波損耗有很大的影響,僅當(dāng)l4=2 mm時(shí),天線帶寬最寬,且工作頻帶內(nèi)匹配程度最佳。

圖5 天線輸入阻抗曲線圖

圖6 S11隨l4變化曲線圖

2.3 天線輻射方向圖

圖7為頻率f=4 GHz、5.5 GHz、6.3 GHz時(shí),天線的XOZ面、YOZ面輻射方向圖?？梢钥闯?在頻率為4 GHz時(shí)天線輻射方向圖同基本偶極子天線相似,XOZ面輻射方向圖為典型的雙向輻射,天線的YOZ面輻射方向圖類似全向輻射,XOZ、YOZ面最大輻射方向交叉極化分別為-51 dB和-45 dB。頻率為5.5 GHz時(shí),XOZ面、YOZ面最大輻射方向交叉極化分別為-47 dB和-37 dB。隨著頻率的增大,天線輻射方向圖發(fā)生形變,交叉極化變得嚴(yán)重,但在6.3 GHz時(shí),XOZ、YOZ面最大輻射方向交叉極化仍然較小,分別為-33 dB和-28 dB。方向圖的畸變主要是由于高頻段高次模的出現(xiàn),破壞了天線輻射方向圖。但總體而言,該天線仍能很好滿足WLAN、WIMAX等通信系統(tǒng)對(duì)天線輻射方向圖的性能要求。

3 測(cè)試結(jié)果分析

圖8為所設(shè)計(jì)天線的加工實(shí)物圖。利用安捷倫N5242A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的回波損耗進(jìn)行測(cè)試,可得到如圖9所示的實(shí)測(cè)S11曲線。由圖9可見,實(shí)測(cè)與仿真效果吻合,實(shí)測(cè)的頻帶寬度為2.82 GHz～6.90 GHz,與仿真相比,相對(duì)帶寬減少1%,分析誤差的產(chǎn)生主要是由于加工精度,以及SMA 接頭,粘膠和微帶線焊接時(shí)出現(xiàn)的不均勻性造成的。

圖8 天線實(shí)物圖

圖9 實(shí)測(cè)S11曲線

表2為所提出天線與其他同類型介質(zhì)諧振器天線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。由表可見,本文所提出的天線,無論是在阻抗帶寬、天線尺寸,還是在增益特性方面,都有比較突出的優(yōu)勢(shì)。尤其是在阻抗帶寬以及低頻段擴(kuò)展上有進(jìn)一步的提高,擴(kuò)展了該天線的應(yīng)用范圍,使其具有更高的實(shí)用價(jià)值。

表2 本文結(jié)果與參考文獻(xiàn)對(duì)比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于WLAN/WIMAX通信系統(tǒng)的寬頻帶介質(zhì)諧振器天線。采用單極天線與圓環(huán)介質(zhì)諧振器相結(jié)合的混合輻射機(jī)制,展寬天線帶寬;同時(shí)通過地板引入開槽技術(shù),實(shí)現(xiàn)工作頻段2.98 GHz～7.18 GHz內(nèi)的良好阻抗匹配。并對(duì)所設(shè)計(jì)天線進(jìn)行實(shí)物加工,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該天線不僅可實(shí)現(xiàn)寬頻帶,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小,接地板,輻射貼片及饋源在同一平面上,易集成加工。此外,該天線還具有良好的方向性和增益性能,可廣泛應(yīng)用于WLAN/WIMAX通信系統(tǒng)。

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TheDesignandImplementationofaBroadbandDielectricResonatorAntenna*

HAOHonggang1*,HUANGDaili2,LIJiayu3

(School of Optical and Electronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

A broadband dielectric resonator antenna is proposed. Using the composite structure of monopole antenna and dielectric resonator antenna that fed by CPW,the modes of various operating bands are overlapped by adjusting the dimensions of the resonator and the construction of the CPW to extend the bandwidth.Meanwhile,the impedance of the feed line is matched by applying the slotting technology on the ground plane. Simulated and experimented results show that the bandwidth of the antenna is 2.98 GHz～7.18 GHz(S11<-10 dB),the relative bandwidth is 84.3% and the maximum gain is 4.9 dBi over the entire frequency band.The proposed wideband dielectric resonator antenna which is simply constructed in small dimensions is liable to be integrated and qualified for applications in WLAN/WIMAX communication systems.

dielectric resonator antenna;broadband;CPW;WLAN;WIMAX

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.006

項(xiàng)目來源:重慶市委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1600438)

2016-07-11修改日期2016-10-27

TN822+.8

A

1005-9490(2017)05-1078-05

郝宏剛(1977-),男,山東禹城人,教授,博士,主要研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)技術(shù)、LED通信技術(shù)、電磁理論及應(yīng)用研究;

黃代利(1992-),女,重慶人,學(xué)生,碩士,主要研究方向?yàn)榻橘|(zhì)諧振器天線設(shè)計(jì);

李佳玉(1991-),女,重慶人,學(xué)生,碩士,主要研究方向?yàn)檐囕d天線設(shè)計(jì)。