一种宽带棱台形介质谐振器天线的设计与研究

    薛敬宏 何露茜 宋立众 姚国国 霍纪兵

    

    

    DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2018.06.012

    摘要：本文研究了一种棱台形介质谐振器天线。该天线使用棱台形的介质谐振器作为辐射体。天线的馈电方式采用同轴探针馈电，探针连接在介质谐振器附有的梯形金属枝节上，梯形金属枝节用来实现阻抗匹配。通过设计介质谐振器与梯形枝节的结构参数，实现了预期的性能要求。采用全波电磁仿真技术对该双极化天线结构进行电磁仿真和优化设计，仿真结果表明，在3.5～5.5GHz工作频率范围内，设计的介质谐振器天线的电压驻波比小于2;在中心频点上交叉极化电平低于-70dB，在E面和H面上的波束宽度均大于90°。对设计的天线进行加工测试，测试结果表明，该天线实现了预期的辐射性能，验证了该介质谐振器天线设计的有效性。

    关键词：宽带天线;介质谐振器天线;辐射方向图;电压驻波比

    中图分类号：TJ765;TN82文献标识码：A文章编号：1673-5048（2018）06-0072-06[SQ0]

    0引言

    目前，宽带技术是无线通信领域的一个重要发展方向，已经成为了国内外通信界近年来的热点问题和研究方向之一。宽带技术之所以得到了广泛的关注，主要因为其传输速率高、处理增益高、多径分辨能力强、隐蔽性好、低功耗、系统容量大、穿透能力强、定位能力强，能提高现有的频谱利用率[1]。宽带天线是宽带系统的前端组成部分，其性能影响着整个系统的工作效能。在实际工程实践中，天线的设计除了要满足天线的匹配、端口的隔离、辐射的方向图和交叉极化电平等技术指标，还需考虑工程上的安装结构、馈电方式、组阵方式和材料成本因素，因此，设计和研制适合于工程应用的双极化天线单元具有重要意义。

    宽带天线单元是指具有宽频带的天线[2]。在宽带天线单元的设计中，需要考虑的性能指标包括工作频段[3]、带宽、电压驻波比[4]、交叉极化电平[5]、方向图形状[6]、波束宽度以及增益[7]等，因此，要兼顾所有指标使之满足实际工程的需要是一个具有挑战性的课题。目前，常用的宽带天线单元有圆锥天线、V锥天线、TEM喇叭天线、对数周期天线、螺旋天线、波纹喇叭天线、微带天线、新型天线以及电小天线等。宽带天线单元及其阵列的设计获得了广泛的研究。例如，尤文峰等人提出一种对圆锥天线的外部轮廓线进行改进以提高天线性能的方法，选定七椭圆锥凸起型天线，在0.3～3GHz范围内有良好的性能特性[8];谢平等人设计了一种带有机玻璃天线罩的地平板结构横电磁波（TEM）喇叭接收天线，具备较好的时域保真度和馈入反射特性，适于作为超宽带接收天线[9];高伟等人结合传统对数周期偶极子天线的结构，再加上微带天线的优势，改进了一款工作频率在4～10GHz的对数周期偶极子天线[10];樊际洲设计了一种小型四臂螺旋天线，采用巴伦平衡结构的自相移馈电方式馈电，将螺旋臂印刷在高介电常数陶瓷柱上，减小了天线的体

    积，具有良好的宽波束和圆极化特性[11];Lazaridis等人提出了一种宽带对数周期天线设计的新方法，使天线增益变大，前后比和驻波比方面达到最佳[12];张加林设计了一种覆盖S波段（2～4GHz）的微带贴片天线，天线结构简单，性能良好，具有广泛的应用前景[13];邵羽等人提出用单极子向Γ结构进行电磁耦合馈电，使天线在整个工作带宽范围内的驻波比小于2，增益得到提高[14];齐健介绍了一种基于波导圆极化器的新型X波段双圆极化喇叭天线，带宽较宽，具有良好的方向性和圆极化特性[15]。

    介质谐振器天线（DielectricResonatorAntenna，DRA）是一种新型天线，具有辐射效率高、体积小、便于加工组装和性能稳定等优点，适合于实际工程应用，因此，介质谐振器天线是一种有效的宽带天线单元的技术方案[16]。近年来介质谐振器天线单元的设计获得了广泛的研究，例如：张丽娜等人提出一种宽带的高介电常数圆柱形介质谐振器天线，获得了12.6%的阻抗带宽，并具有介质谐振器尺寸小的优点和较好的辐射特性[17];郝宏刚等人采用共面波導馈电的单极天线与介质谐振器天线的混合结构使天线频带宽度为2.98～7.18GHz[18];Behloul等人提出了一种探针馈电的三角形介质谐振器天线，工作范围在5～6GHz[19]。

    本文提出了一种棱台形介质谐振器天线的实现方案，主要讨论了该介质谐振器天线的组成结构和辐射性能的电磁仿真与优化问题，对设计的天线进行了加工测试，给出了具体的实际测试结果，达到了预期的技术指标要求。

    1棱台形介质谐振器天线的结构设计

    本文讨论的介质谐振器天线结构模型如图1所示，图1（a）为天线的视角一的模型图，可以看到天线外部整体结构;图1（b）为视角二的模型图，可以看到天线的底部馈电同轴线接头结构和位置。该天线为棱台形介质谐振器类型的天线，选择的微带电路板是常用的FR4板材，介质基板的厚度为1mm，金属铜箔的厚度为0.036mm。天线的馈电方式采用同轴探针馈电，在介质谐振器的一端附有梯形结构的枝节，用来实现阻抗匹配。本文设计的双极化圆波导天线便于机械加工实现，结构可靠，性能稳定，成本较低，也容易保证加工精度的一致性。

    2棱台形介质谐振器天线的电磁仿真

    采用全波电磁仿真软件对介质谐振器天线进行参数建模，根据性能要求对天线结构参数进行参数扫描和设计。本文设计的天线的电压驻波比（VSWR）如图3所示，可以看出，在3.5～5.5GHz范围内VSWR约小于2。

    图4～6给出了介质谐振器天线在3.5GHz，4.5GHz和5.5GHz时的辐射方向图仿真结果，其中，每个图中分别给出了天线的xoz面和yoz面的辐射方向图。从辐射方向图可以看出，该天线的辐射方向图波束较宽，波束形状规则，后瓣较小。

    介质谐振器天线在xoz面和yoz面的波束宽度随着频率的变化规律曲线如图7所示。

    从仿真结果可以看出，在工作频带内，xoz面的波束宽度在3.5～5.2GHz范围内大约为91°和103°之间，在5.2～5.5GHz范围内有所下降，但整体性能较好;yoz面的波束宽度在3.5～5.2GHz范围内約为91°和108°之间，在5.2～5.5GHz范围降到79°，但整体性能较好。

    3棱台形介质谐振器天线的加工测试

    根据上述天线设计结果，对设计的介质谐振器天线进行了加工、组装和测试，图8所示为天线加工后的实物照片。

    采用微波矢量网络分析仪对加工的介质谐振器天线的输入端电路特性进行了测试。测试结果表明，在工作频带范围内，天线的回波损耗约低于-10dB，且有两个谐振点，分别位于3.8GHz与5.2GHz处，与仿真结果接近但有一定偏差，这可能是由于加工和安装误差引起的结果。

    图9～11所示为本文设计的介质谐振器天线在3.5GHz，4.5GHz和5.5GHz时的辐射方向图仿真结果，其中，每个图中分别给出了xoz面和yoz面的辐射方向图。可以看出，在三个频点处天线波束正前方的交叉极化电平比较低，均表现出宽波束的特性，与仿真结果相似。同时，在方向图测试中，由于天线的测试安装误差以及天线的加工不理想等因素，测试的方向图形状有一定的起伏现象，且主波束方向略有偏离，这导致对仿真结果有一定差异。

    4结论

    基于介质谐振器的辐射机理，提出一种具有超宽带辐射特性的小型化棱台形介质谐振器天线。通过棱台形结构设计，实现了天线的超宽带阻抗和方向图特性;利用变形探针馈电结构，激励出宽带的辐射场结构，获得了较为良好的匹配性能;在介质谐振器底部加载了有限地板结构，改善天线的辐射方向图的前后比性能，实现了接近单向辐射的方向图。对天线进行电磁仿真和优化设计，在3.5～5.5GHz的频率范围内，技术指标的仿真结果达到预期要求，测试结果验证了设计的正确性。

    参考文献：

    [1]DixonT，RobertsC，SpurgeV.BroadbandTechnology[J].JournalofPropertyInvestment&Finance，2005，23（6）：516-524.

    [2]MoonSJ，LeeHK，KimHD.AWidebandLoopTypeAntenna[J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters，2015，57（7）：1742-1744.

    [3]李昂.一种Ka/Ku双波段双极化共口径阵列天线[J].雷达科学与技术，2011，9（4）：366-369.

    LiAng.AKindofKa/KuDualBandDualPolarizationCommonApertureArrayAntenna[J].RadarScienceandTechnology，2011，9（4）：366-369.（inChinese）

    [4]何杨炯，张世全，全祥锦，等.电磁带隙的超宽带阻带天线设计[J].传感器与微系统，2016，35（12）：113-115.

    HeYangjiong，ZhangShiquan，QuanXiangjin，etal.DesignofUltraWidebandStopbandAntennaforElectromagneticBandGap[J].SensorsandMicrosystems，2016，35（12）：113-115.（inChinese）

    [5]王安康，杨林，栗曦.矩形微带串馈天线阵的设计与分析[J].航空兵器，2016（6）：9-11.

    WangAnkang，YangLin，LiXi.DesignandAnalysisofRectangularMicrostripAntennaArray[J].AeroWeaponry，2016（6）：9-11.（inChinese）

    [6]BogolyubovAN，KoblikovAA，ShapkinaNE.AnalysisandSynthesisofFractalAntennaRadiationPatterns[J].MoscowUniversityPhysicsBulletin，2009，64（6）：561-568.

    [7]PandeySK，PandeyGP，SarunPM.FractalBasedTripleBandHighGainMonopoleAntenna[J].Frequenz，2017，71（11-12）：531-537.

    [8]龙文峰，李杜，周伟，等.超宽带圆锥天线的设计[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2012，26（11）：88-92.

    LongWenfeng，LiDu，ZhouWei，etal.DesignofAltraWidebandConicalAntenna[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology：NaturalScienceEdition，2012，26（11）：88-92.（inChinese）

    [9]谢平，廖勇，徐刚.TEM喇叭天线设计与实验[J].太赫兹科学与电子信息学报，2016，14（1）：68-71.

    XiePing，LiaoYong，XuGang.DesignandExperimentofTEMHornAntenna[J].JournalofTHzScienceandElectronicInformation，2016，14（1）：68-71.（inChinese）

    [10]高伟，石丹，高攸纲，等.对数周期天线的设计改进[J].环境技术，2014（S1）：202-204.

    GaoWei，ShiDan，GaoYougang，etal.DesignandImprovementofLogarithmicPeriodicAntenna[J].EnvironmentalTechnology，2014（S1）：202-204.（inChinese）

    [11]樊际洲.四臂螺旋天线设计与实现研究[J].无线互联科技，2017（14）：13-14.

    FanJizhou.DesignandImplementationofQuadrifilarHelixAntenna[J].WirelessInternetTechnology，2017（14）：13-14.（inChinese）

    [12]LazaridisPI，TzirisEN，ZaharisZD，etal.ComparisonofEvolutionaryAlgorithmsforLPDAAntennaOptimization[J].RadioScience，2016，51（8）：1377-1384.

    [13]张加林.一种基于脊形接地板的S波段微带天线的设计[J].中国无线电，2017（10）：62-64.

    ZhangJialin.DesignofaSBandMicrostripAntennaBasedonaRidgeGroundPlate[J].ChinaRadio，2017（10）：62-64.（inChinese）

    [14]邵羽，陈章友.一种宽带电小天线的研制[J].电子学报，2011，39（3）：719-722.

    ShaoYu，ChenZhangyou.DevelopmentofaWideBandwidthSmallAntenna[J].JournalofElectronics，2011，39（3）：719-722.（inChinese）

    [15]齊健.X波段双圆极化喇叭天线的设计与仿真[J].航空兵器，2012（1）：38-40.

    QiJian.DesignandSimulationofXBandDualCircularPolarizationHornAntenna[J].AeroWeaponry，2012（1）：38-40.（inChinese）

    [16]MishraNK，DasS，VishwakarmaDK.BandwidthEnhancementofCylindricalDielectricResonatorAntennaUsingThinDielectricLayerFedbyResonatingSlot[J].Frequenz，2016，70（9-10）：381-388.

    [17]张丽娜，钟顺时，许赛卿，等.宽带圆柱形陶瓷介质谐振器天线[J].上海大学学报：自然科学版，2008（3）：221-224.

    ZhangLina，ZhongShunshi，XuSaiqing，etal.BroadBandCylindricalCeramicDielectricResonatorAntenna[J].JournalofShanghaiUniversity：NaturalScienceEdition，2008（3）：221-224.（inChinese）

    [18]郝宏刚，黄代利，李佳玉.一种宽频带介质谐振器天线的设计与实现[J].电子器件，2017，40（5）：1078-1082.

    HaoHonggang，HuangDaili，LiJiayu.DesignandImplementationofaBroadbandDielectricResonatorAntenna[J].ElectronicDevices，2017，40（5）：1078-1082.（inChinese）

    [19]BehloulA，MessaoudeneI，DenidniTA，etal.ThreePortTriangularDielectricResonatorAntennawithSwitchingBeamFormingOperation[J].Microwave&OpticalTechnologyLetters，2017，59（4）：955-958.