郝佳寧，馮立營

（天津職業(yè)技術師范大學電子工程學院，天津 300222）

隨著通信技術、雷達以及物聯(lián)網的快速發(fā)展，微波波段的頻譜劃分變得越來越擁擠，此時擁有豐富頻譜資源的毫米波頻段逐漸成為研究開發(fā)的方向。然而，由于毫米波存在傳輸距離短、傳播損耗高的缺點，短時間內無法完全取代微波頻段[1-2]。由此可見，微波和毫米波的發(fā)展是并行不悖的，此時需要通信系統(tǒng)能夠在2個波段同時運行，故需要設計出能夠將2種跨度較大的頻段全部覆蓋的天線。具有較大頻率比的雙頻天線甚至是多頻段天線是解決這一問題的有效手段。

設計大頻比雙頻天線最直接的方法是對上頻帶和下頻帶的天線分別進行設計，然后通過垂直放置[3-4]或者水平放置[5-6]的方法組合在一起。這種天線設計簡單，但直接組合的方式卻增加了天線的體積，意味著制作成本的增加。在不增加原有單個天線結構體積的前提下，集成不同類型的天線成為了焦點。如將介質集成波導與單極子天線[7]、微帶線[8]以及平面倒F天線[9]相結合；將周期性的貼片天線作為法布里-珀羅諧振器天線的部分反射表面[10]；將法布里-珀羅諧振器天線與偶極子天線[11]集成在介質板中等。

為了保持緊湊的尺寸，天線類型的選擇也十分重要。由于介質諧振器天線的尺寸與所選擇的電介質材料的介電常數有關，所以研究介質諧振器天線具有解決低頻天線體積較大問題的潛力。同時，介質諧振器天線還具有重量輕、Q值高、易于集成、成本低等優(yōu)點，選擇介質諧振器天線作為低頻段的天線與其他天線進行集成是十分有利的。介質諧振器天線常見的形狀有圓柱形[12]、矩形[13]以及半球形[14]。在文獻[15]中，通過使用一個沿中心有矩形凹槽的矩形介質諧振器實現(xiàn)了雙頻輻射功能，在矩形凹槽處附上銅貼紙代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬板，在保持天線結構緊湊的同時，降低了天線的重量，將法布里-珀羅諧振器天線與介質諧振器相結合，使天線能夠同時工作在微波波段和毫米波段。本設計采用圓柱形介質諧振器，體積比文獻[15]中的矩形介質諧振器更小，制作工藝更加簡單，只需調節(jié)半徑和高度2個參數，設計也更簡便。本設計在圓柱形介質諧振器天線的中間挖一個矩形槽，在切割面的側面與底面進行電鍍，構成法布里-珀羅諧振器天線的諧振腔。低頻和高頻的隔離度在-77 dB以下，保證了雙波段天線在各個頻帶工作的穩(wěn)定性。

1 天線結構

本研究所提出的緊湊型大頻比雙頻天線的結構如圖1所示。相關的尺寸參數分別為ε1=10，ε0=1，w0=150 mm，ws=2 mm，wr=2 mm，L1=2.8 mm，Ls=11.5 mm，Lr=7 mm，s=1 mm，r1=13.8 mm，r2=2.5 mm，r3=1mm，h0=4mm，h1=20 mm，h2=10 mm，h3=2.8 mm，d=7.2 mm，2個頻段擁有各自的輸入端口。

圖1 雙頻天線的結構圖

該設計采用圓柱形介質諧振器作為低頻部分的天線，在其中心挖去一個的矩形槽用于滿足高頻法布里-珀羅諧振器天線的構成條件，設計的介質諧振器的介電常數為ε1，高為h1，半徑為r1。天線放置在介電常數為ε0、高度h0、長和寬均為w0的矩形地板上。通過一個矩形條帶激發(fā)介質諧振器，矩形條帶的長為Ls，寬為ws，這種饋電方式提高了天線的阻抗匹配。

高頻部分的天線則選擇結構簡單、高增益的法布里-珀羅諧振器天線，基本的法布里-珀羅諧振器天線由2個平行的金屬板構成。對文獻[15]中凹槽周圍的金屬層進行了改進，使用陶瓷鍍銅代替文獻[15]中的銅貼紙，完成對槽的側面及底面的金屬化。陶瓷鍍銅可以使陶瓷表面附著一層銅薄膜，克服了銅貼紙在陶瓷表面不牢固的缺點，并且現(xiàn)代電鍍技術比較成熟。理想的法布里-珀羅諧振器天線2個無限長反射板之間的距離為波長的1/2，實際中反射板無法做到無限長，因此2個反射板之間的距離稍有偏差，通過HFSS軟件優(yōu)化得到2個板之間的最優(yōu)間距d。通過在槽的兩側加入長和寬分別為Lr和wr的脊，有效地抑制了不必要的副瓣。最后通過一個L型探針對法布里-珀羅諧振器天線進行饋電，探針半徑為r3，垂直臂高出凹槽的長度為h3，水平臂的長度為L1。然而，L型探針會導致方向圖有傾斜，本文對此方面進行了優(yōu)化并設計了一個半環(huán)型的套筒。半環(huán)形套筒的外半徑r2設計的與L型探針的水平臂長度相似，通過優(yōu)化得到了最優(yōu)參數。

2 雙頻帶天線的設計

2.1 低頻介質諧振器天線

2.1.1 介質諧振器天線的工作原理

理想導體壁被稱作電壁。由于電壁上的磁場法向分量為0、電場切向分量為0，所以能夠將入射到電壁上的電磁波完全反射，沒有波穿過電壁。將電壁構成一個腔體，電磁能量便能夠在腔內發(fā)生諧振。由于金屬諧振腔的金屬壁可以看作電壁，在諧振的過程中則不會有波穿過金屬腔。但在介質諧振器中，側壁不能看作電壁，能量會在諧振過程中輻射出去，從而使介質諧振器成為輻射體。

介質諧振器天線是由介質諧振器構成的，通過特定的饋電方式可以對諧振器進行激勵，產生多種諧振模式。該設計采用一個矩形條帶激發(fā)介質諧振器。

介質諧振器工作在HEM11模式。對介質諧振器天線挖矩形槽并沒有影響到介質諧振器天線的輻射模式，介質諧振器天線可以在設定的頻帶內正常工作。

2.1.1 饋電微帶線尺寸對參數的影響

利用ADS中的Linecalc對介質諧振器天線的矩形饋電線的尺寸進行計算，得到矩形微帶線的寬度為wS=2 mm。ANSYS HFSS是一款三維結構電磁仿真軟件，擁有標準級的三維電磁場設計和分析能力，利用該軟件對天線進行模擬。圖2顯示了矩形微帶線長度變化對低頻的介質諧振器天線回波損耗S11的影響。

圖2 矩形微帶線長度對S11的影響

當矩形微帶線的長度LS分別為11.5 mm、12 mm和12.5 mm時，通過模擬圖可以觀察到隨著微帶線長度的增加，介質諧振器天線的反射系數曲線向低頻偏移，同時反射系數的最小值逐漸減小。當長度為12.5 mm時，天線的阻抗匹配最好，反射系數的最小值達到-26.5 dB，因此選擇LS=11.5 mm。此時天線的中心頻率在2.45 GHz，阻抗帶寬（S11＜-10 dB）達到7.34%。

2.1.2 低頻天線的模擬結果

利用HFSS電磁仿真軟件對緊湊型大頻比天線進行仿真，低頻時模擬的S參數以及增益結果如圖3所示。

圖3 介質諧振器天線的反射系數和增益

-10 dB的阻抗帶寬為7.34%（2.37～2.54 GHz），覆蓋了2.4 GHz ISM頻段中的2.4～2.483 5 GHz頻段，此頻段是全世界公開通用無線頻段，被廣泛用于藍牙、無線局域網等。圖3還顯示了介質諧振器天線的仿真增益，從圖中可以看出，在給定頻帶內天線的增益范圍為6.63～6.96 dBi。

介質諧振器天線在中心頻率時E面和H面的仿真輻射如圖4所示。

圖4 介質諧振器天線的方向圖

從圖4可以看出，圓柱形介質諧振器天線在2.41 GHz時，得到了6.79 dBi的增益，E面的交叉極化電平低于-6.03 dB，H面的交叉極化電平低于-41 dB。在整個角平面上共面極化場都強于交叉極化場，實現(xiàn)了較為理想的結果。

2.2 高頻法布里-珀羅諧振器天線

2.2.1 法布里-珀羅諧振器天線的工作原理

法布里-珀羅諧振器天線由輻射源以及部分反射面構成。來自于輻射源的電磁波經過部分反射面后，一部分被輻射出去，另一部分則被反射回諧振腔內繼續(xù)進行反射和透射。2012年，Lu等[16]提出了一種新型的法布里-珀羅諧振器天線，在2個金屬平行板之間放置了一個L型探針，將探針的諧振模式設置為接近法布里珀羅諧振模式，擴大了天線的帶寬。

本設計中的高頻天線使用介質諧振器挖出的矩形槽作為諧振腔，在矩形槽周圍鍍銅作為金屬反射面，使用L型探針饋電。由于L型探針的不對稱形狀，導致方向圖傾向于水平探針伸出的方向。設計一個半環(huán)形套筒放置在探針的背后，提供了與L型探針相反方向的電流，緩解了輻射圖的不對稱。

2.2.2 脊的尺寸對參數的影響

為了防止能量分散到旁瓣中，抑制旁瓣是很有必要的。本設計采用在法布里-珀羅諧振器天線兩側引入2對脊的方法來降低旁瓣，脊對天線方向圖的影響如圖5所示。從圖5可以看出，基本天線的方向圖旁瓣達到0.33 dB，經過改進之后旁瓣可以觀察到均在-8.86 dB以下。雖然該方法損失了一些增益，但波束寬度也相應地增加。

圖5 脊對天線方向圖的影響

本設計研究了脊的長和寬對天線阻抗匹配的影響，結果顯示，脊的寬對天線的影響較大。脊的寬度分別為1 mm、1.5 mm和2 mm時，對法布里-珀羅諧振器天線S22參數的影響如圖6所示。

圖6 脊的寬度對法布里-珀羅諧振器天線S22參數的影響

從圖6可以看出，隨著脊寬度的增加，法布里-珀羅諧振器天線的頻率逐漸向設定的24 GHz中心頻率靠近，反射系數的最小值在wr=2 mm時達到-37.06 dB，并且阻抗帶寬也在逐步增加。最終選擇寬度wr=2 mm作為脊的寬度，此時天線的中心頻率在24 GHz。

2.2.3 高頻天線的仿真結果

利用HFSS電磁仿真軟件對高頻的法布里-珀羅諧振器天線進行仿真，模擬的S參數及增益如圖7所示。

圖7 法布里-珀羅諧振器天線的反射系數和增益

高頻時天線的中心頻率在24 GHz，S22＜-10 dB的范圍為23.38～24.76 GHz，阻抗帶寬為5.58%，覆蓋了24～24.25 GHz的窄帶（NB）頻段。從圖7可以看出，法布里-珀羅諧振器天線的增益在7.04～10.95 dBi內波動。

圖8顯示了介質諧振器天線在中心頻率時E面和H面的模擬輻射圖。

圖8 法布里-珀羅諧振器天線的方向圖

法布里-珀羅諧振器天線在24 GHz時，增益達到了8.67 dBi，E面的交叉極化電平低于-32.4 dB，H面的交叉極化電平均低于-13.43 dB。在其他頻率下也模擬了輻射模式，在通帶上取得了非常穩(wěn)定的結果。

3 結 語

本研究提出了一種緊湊型的大頻比雙頻天線，通過在圓柱形介質諧振器中間挖矩形槽的方法，將其與法布里-珀羅諧振器天線相結合。由2個端口進行饋電，互不干擾，天線的下頻段和上頻段的阻抗帶寬分別為7.34%和5.83%，并且2個頻帶的交叉極化很低。對于高頻法布里-珀羅諧振器天線的設計，可以通過改變2個金屬板間的距離來改變天線的中心頻率，使得天線不僅限于本設計的24 GHz，使其具有一定靈活性的同時，滿足頻率跨度較大的天線的需求，同時實現(xiàn)了天線的小型化。但高頻部分的增益波動較大，有待進一步優(yōu)化。