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        一種圓極化毫米波介質(zhì)諧振器天線陣列*

        2019-10-09 05:23:14郭瑾昭趙建平吳思雨
        通信技術(shù) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:軸比圓極化諧振器

        郭瑾昭,趙建平,趙 敏,吳思雨,徐 娟

        (曲阜師范大學(xué),山東 曲阜 273165)

        0 引 言

        隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,毫米波由于其具有寬帶寬、窄波束以及穿透強(qiáng)等特點(diǎn),在通信、雷達(dá)以及醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而在毫米波通信中,必不可少的毫米波天線得到了人們的高度關(guān)注。常用的毫米波天線有介質(zhì)諧振器天線、微帶天線以及喇叭天線等。

        介質(zhì)諧振器天線(Dielectric Resonator Antenna,DRA)具有尺寸小、重量輕、成本低、輻射效率高以及饋電容易等特點(diǎn)[1]。介質(zhì)諧振器一般用高介電常數(shù)的材料制成。在毫米波段,金屬天線的導(dǎo)體損耗大大降低了天線的輻射效率,而DRA不存在導(dǎo)體和表面波損耗,自身的介質(zhì)損耗小,具有較高的輻射效率,因此介質(zhì)諧振器天線在毫米波段得到了廣泛應(yīng)用[2]。研究發(fā)現(xiàn),單個(gè)介質(zhì)諧振器單元的增益較小,因此在合理排列的情況下,多個(gè)介質(zhì)諧振天線單元可以組成陣列,以獲得定向的輻射方向圖和更高的增益[3]。

        為了建立良好的星地通信鏈路,大多數(shù)衛(wèi)星通信和導(dǎo)航定位系統(tǒng)都采用圓極化形式。介質(zhì)諧振天線通過產(chǎn)生極化方向正交、幅度相等以及相位差90°的2個(gè)線極化波[4]實(shí)現(xiàn)圓極化?,F(xiàn)階段,圓極化已成為介質(zhì)諧振器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

        本文提出了一種微帶饋電的4單元圓極化介質(zhì)諧振器天線陣列,設(shè)計(jì)了一種非均勻的微帶饋線網(wǎng)絡(luò),通過非均勻的激勵控制天線的輻射旁瓣,以獲得更高的增益和方向性。在高介電常數(shù)的情況下,通過在圓柱形介質(zhì)諧振器中心挖正交矩形槽的方式實(shí)現(xiàn)天線的圓極化。

        1 圓柱型介質(zhì)諧振器原理

        假設(shè)圓柱形介質(zhì)諧振器表面為理想磁壁,則沿z軸方向的TE波和TM波的方程表示為[5]:

        其中Jn是第一類貝塞爾函數(shù),有:

        式中a為圓柱形介質(zhì)諧振器的半徑,h為介質(zhì)諧振器的高度。

        天線在實(shí)際應(yīng)用中通常工作于基模TM110模,基模的諧振頻率最低,諧振頻率為:

        基模的波函數(shù)為:

        2 天線陣列設(shè)計(jì)與結(jié)果

        介質(zhì)諧振器天線陣列模型如圖1所示,諧振腔選用介電常數(shù)εr1=37的某種材料,其半徑a=0.178 mm,高h(yuǎn)1=0.143 mm。介質(zhì)基板采用介電常數(shù)εr2=2.2的Rogers 5880,天線的整體尺寸為1.934 mm×2.917 mm×0.041 9 mm。通過在諧振器中心挖兩個(gè)相互正交的矩形槽,實(shí)現(xiàn)天線的圓極化性能[6-8]。為減小天線輻射的旁瓣,采用非均勻分布的開路微帶饋線網(wǎng)絡(luò),微帶線各支路的能量分布取決于各支路的阻抗[9]。微帶饋線在端口處和開槽處阻抗為50 Ω(W1),λ/4阻抗轉(zhuǎn)換器的阻抗為35 Ω(W2);W3段的阻抗為86 Ω,用于實(shí)現(xiàn)非均勻的激勵;為實(shí)現(xiàn)各段微帶線之間的匹配,W4段阻抗設(shè)置為66 Ω。使用同軸探針對微帶線端口進(jìn)行饋電。為減小各單元間的互耦,單元間距采用λ/2。

        圖1 介質(zhì)諧振器天線陣列模型

        利用電磁仿真軟件HFSS對天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理,得到一組最優(yōu)的天線參數(shù)如表1所示。

        表1 天線參數(shù)

        介質(zhì)諧振器天線陣列的回波損耗如圖2所示。從圖2可以看出,回波損耗S11≤-10 dB的頻率范圍為147.14~153.82 GHz,阻抗帶寬為6.68 GHz,相對帶寬為4.45%。圓極化天線陣列的軸比曲線如圖3所示,軸比小于3 dB的頻率范圍為147.80~152.20 GHz,軸比帶寬為4.4 GHz,且最小軸比能夠達(dá)到0.47 dB。

        圖2 天線陣列回波損耗曲線

        圖4和圖5分別給出了介質(zhì)諧振器天線陣列的2D和3D輻射方向圖,可以看出天線的增益約為11.379 dB且旁瓣較小,能夠?qū)崿F(xiàn)較高的增益和較好的方向性。

        圖3 天線陣列軸比曲線

        圖4 天線陣列的2D方向圖

        圖5 天線陣列的3D方向圖

        3 結(jié) 語

        本文設(shè)計(jì)了一種工作在毫米波段的圓極化介質(zhì)諧振器天線陣列,天線的工作頻率較高,因此天線的整體尺寸較小。通過對介質(zhì)諧振器進(jìn)行挖槽的方式實(shí)現(xiàn)了圓極化性能,并通過設(shè)計(jì)非均勻饋電網(wǎng)絡(luò)達(dá)到降低天線輻射旁瓣的目的。仿真結(jié)果表明,S11≤-10 dB的相對帶寬為4.45%,圓極化的軸比帶寬為4.4 GHz,最小軸比可達(dá)到0.47 dB。天線陣列實(shí)現(xiàn)了11.379 dB的高增益輻射,可應(yīng)用于未來的毫米波通信系統(tǒng)。

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