超宽带实用型介质谐振器天线研究与设计
阚国锦+林文斌+郑浩天+邹德友
摘 要： 现代无线通信技术为了减少系统复杂性，对单一天线带宽的性能要求越来越高，故设计一种具有实用性的超宽带介质谐振器天线（DRA）。该天线采用微带线缝隙耦合馈电方式，通过微带线给接地板上的矩形槽和“U”型槽馈电，然后通过槽将电流输入到介质谐振器中。为了防止电磁波的散射，在介质谐振器背面附上寄生贴片，上部加入反射板，可以将天线的性能大幅度提高。该天线分别谐振在5.25 GHz和6.3 GHz，工作在4.6～6.8 GHz，其中5.1～5.9 GHz是WLAN波段，其阻抗带宽达到了39%，因此具有很好的实用价值。该天线的仿真结果由电磁仿真软件得到，通过Agilent Technology PNA N5245A矢量网络分析仪测量天线的回波损耗及增益，得到的测量结果和仿真结果吻合。
关键词： 超宽带； 介质谐振器天线； 寄生贴片； 反射板
中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0077?03
Abstract： In order to reduce the system complexity， the modern wireless communication technology has high requirement for the performance of the single antenna bandwidth， therefore a practical UWB dielectric resonator antenna （DRA） was researched and designed. The microstrip line slot coupled feeding mode is adopted for the antenna. The feeding was performed for the rectangular slot and U?shaped slot in the earthing plate through the antenna. The current is input into the dielectric resonator through the slots. In order to prevent the scattering of electromagnetic wave， the parasitic patch is attached on the back of the dielectric resonator. The reflection plate is added on the top of the dielectric resonator to improve the performance of the antenna greatly. The antenna is resonated at 5.25 GHz and 6.3 GHz respectively， works at 4.6?6.8 GHz （5.1～5.9 GHz is the WLAN band）， its impedance bandwidth can reach up to 39%， and has perfect practical value. The simulation results of the antenna were obtained by means of the electromagnetic simulation software. The Agilent Technology PNA N5245A vector network analysis meter is used to measure the return loss and gain of the antenna. The obtained measured results are close to the simulation results.
Keywords： UWB； dielectric resonator antenna； parasitic patch； reflection plate
0 引 言
介質谐振器天线（DRA）是天线家族重要的组成部分，并具有很好的设计及应用前景。本文证实了介质谐振器天线在无线电通信系统中的优势[1?3]。自1983年介质谐振器天线提出后，在过去的30多年中科研人员进行了大量的研究并取得了重大进展。目前设计介质谐振器天线，从形状、可靠性、介电常数大小以及激励方式上已经可以灵活掌握。因为长方体介质谐振器相比其他形状（例如：圆柱形、圆台型、半球形）的介质谐振器具有交叉极化低和便于制作的优势，所以一般选择长方体介质谐振器来提高天线的性能[4]。
近年，无线电通信技术飞速发展，小型化、低交叉极化、低功率以及传输抗干扰能力成为天线设计的关键技术。自从2002年美国联邦通信委员会允许3.1～10.6 GHz频段的商业许可后，超宽带天线的研究设计受到越来越多学者的关注[5]。并且介质谐振器天线因具有带宽大、尺寸小、重量轻、传输效率高等优点而被广泛应用于无线电通信领域。
本文提出的天线使用槽耦合馈电方式，微带线通过接地板上开矩形和“U”型槽对介质谐振器进行馈电，然后利用介质谐振器的特点发射接收电磁场与电磁波，为了防止电磁波的散射，分别在介质谐振器背面附上寄生贴片和上端加入反射板来提高天线的回波损耗驻波比VSWR，增益Gain[6?9]。本天线可以运用在5.1～5.9 GHz的频带Wireless Local Area Network（WLAN），并且避免了在其他频段出现窄带系统造成频带交叠的现象，从而不会出现超宽带通信系统与其他通信系统在工作时产生冲突和相互干扰[10?11]的情况。
1 天线的结构设计
天线的结构设计如图1和图2所示。
电磁仿真软件可以准确地分析电磁场问题，能够高精度的预测输入阻抗。矩形槽口的大小和位置会影响天线的性能。一般情况下，矩形槽的长度为使介质谐振器天线和微带线工作在谐振频率，并在该频段内充分耦合。可以由下列经验公式计算：
式中：为槽的长度；为真空中的波长；为介质谐振器的介电常数；为介质基板的介电常数。
矩形槽的宽度会影响天线后瓣的大小，为了避免后瓣过大，可以由如下经验公式计算：
天线介质板采用材料Rogers RT/duriod 5880TM，介电常数=2.2。介质谐振器采用Rogers RO3010TM，介电常数=10.2。支撑柱采用teflon_based，其介电常数=2.08。通过调节天线各个参数从而得到优化结果，最后得到的优化尺寸如表1所示。
2 结果分析
图3给出了仿真与测量结果的图像。仿真结果显示，该天线谐振在5.25 GHz和6.3 GHz，并且的阻抗带宽达到了39%，能够很好地覆盖WLAN频段。
图4～图7分别给出了谐振频率5.25 GHz和6.3 GHz在E面和H面的仿真与测量辐射方向图。从图中可以看出测量结果与仿真结果基本吻合。
圖8给出了该天线的驻波比，可以看到在4.6～6.8 GHz驻波比在4.8～6.6 GHz驻波比由此说明该天线在WLAN频段上工作性能优异。
3 结 论
本文提出的具有寄生贴片和反射板的紧凑型超宽带介质谐振器天线可以运用在WLAN频段，并且在该频段阻抗带宽达到了39%。该天线在5～6 GHz频带的回波损耗S（1，1）和驻波比VSWR分别在-15 dB和1.5以下，最大增益达到了7.26 dBi，而且避免了频带交叠导致的超宽带通信系统与其他通信系统在工作时的干扰和冲突，说明该天线在WLAN频段工作具有很好的性能。此外，该天线便于制作、尺寸小、易于与电路集成，因此具有较好的使用价值。
参考文献
[1] VOLAKIS J L. Antenna engineering： handbook [M]. American， Mc?Graw Hill， 2007： 151?180.
[2] PETOSA A， ITTIPIBOON A， ANTAR Y M M， et al. Recent advances in dielectric resonator antenna technology [J]. IEEE antennas & propagation magazine， 1998， 40（3）： 35?48.
[3] KISHK A A. Dielectric resonator antennas [J]. IEEE transactions on antennas propagation magazine， 2006， 6： 3?8.
[4] 杨文军.宽带圆极化微带天线和介质谐振器天线研究[D].郑州：解放军信息工程大学，2013：6?21.
[5] 郭世宇，华伟，崔琳.具有多阻带特性的超宽带天线研究与设计[J].现代电子技术，2015，38（9）：68?69.
[6] SO K K， LEUNG K W. Bandwidth enhancement and frequency tuning of the dielectric resonator antenna using a parasitic slot in the ground plane [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2005， 53（12）： 4169?4192.
[7] 张丽娜.介质谐振器天线与带宽平面天线[D].上海：上海大学，2011：20?24.
[8] AHMED A， OSAMA A， SEBAK A R. Broadband half?cylindrical DRA for future WLAN applications [C]// Proceedings of 2009 European Conference on Antennas and Propagation. Berlin： VDE Verlag， 2009： 1?4.
[9] 钟顺时，梁仙灵，延晓荣.超宽带平面天线技术[J].电波科学学报，2007，22（2）：308?315.
[10] WANG Chen， YAN Zehong， LI Bo， et al. A dual band?notched UWB printed antenna with C?shape and U?shaped slots [J]. Microwave and technology letters， 2012， 54（6）： 1450?1452.
[11] YAZDI M， KOMJANI N. Planar UWB monopole antenna with dual band?notch UWB antenna with single tri?arm resonator [J]. IEEE transactions on antennas and wireless propagation letters， 2014， 13： 670?673.
摘 要： 现代无线通信技术为了减少系统复杂性，对单一天线带宽的性能要求越来越高，故设计一种具有实用性的超宽带介质谐振器天线（DRA）。该天线采用微带线缝隙耦合馈电方式，通过微带线给接地板上的矩形槽和“U”型槽馈电，然后通过槽将电流输入到介质谐振器中。为了防止电磁波的散射，在介质谐振器背面附上寄生贴片，上部加入反射板，可以将天线的性能大幅度提高。该天线分别谐振在5.25 GHz和6.3 GHz，工作在4.6～6.8 GHz，其中5.1～5.9 GHz是WLAN波段，其阻抗带宽达到了39%，因此具有很好的实用价值。该天线的仿真结果由电磁仿真软件得到，通过Agilent Technology PNA N5245A矢量网络分析仪测量天线的回波损耗及增益，得到的测量结果和仿真结果吻合。
关键词： 超宽带； 介质谐振器天线； 寄生贴片； 反射板
中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0077?03
Abstract： In order to reduce the system complexity， the modern wireless communication technology has high requirement for the performance of the single antenna bandwidth， therefore a practical UWB dielectric resonator antenna （DRA） was researched and designed. The microstrip line slot coupled feeding mode is adopted for the antenna. The feeding was performed for the rectangular slot and U?shaped slot in the earthing plate through the antenna. The current is input into the dielectric resonator through the slots. In order to prevent the scattering of electromagnetic wave， the parasitic patch is attached on the back of the dielectric resonator. The reflection plate is added on the top of the dielectric resonator to improve the performance of the antenna greatly. The antenna is resonated at 5.25 GHz and 6.3 GHz respectively， works at 4.6?6.8 GHz （5.1～5.9 GHz is the WLAN band）， its impedance bandwidth can reach up to 39%， and has perfect practical value. The simulation results of the antenna were obtained by means of the electromagnetic simulation software. The Agilent Technology PNA N5245A vector network analysis meter is used to measure the return loss and gain of the antenna. The obtained measured results are close to the simulation results.
Keywords： UWB； dielectric resonator antenna； parasitic patch； reflection plate
0 引 言
介質谐振器天线（DRA）是天线家族重要的组成部分，并具有很好的设计及应用前景。本文证实了介质谐振器天线在无线电通信系统中的优势[1?3]。自1983年介质谐振器天线提出后，在过去的30多年中科研人员进行了大量的研究并取得了重大进展。目前设计介质谐振器天线，从形状、可靠性、介电常数大小以及激励方式上已经可以灵活掌握。因为长方体介质谐振器相比其他形状（例如：圆柱形、圆台型、半球形）的介质谐振器具有交叉极化低和便于制作的优势，所以一般选择长方体介质谐振器来提高天线的性能[4]。
近年，无线电通信技术飞速发展，小型化、低交叉极化、低功率以及传输抗干扰能力成为天线设计的关键技术。自从2002年美国联邦通信委员会允许3.1～10.6 GHz频段的商业许可后，超宽带天线的研究设计受到越来越多学者的关注[5]。并且介质谐振器天线因具有带宽大、尺寸小、重量轻、传输效率高等优点而被广泛应用于无线电通信领域。
本文提出的天线使用槽耦合馈电方式，微带线通过接地板上开矩形和“U”型槽对介质谐振器进行馈电，然后利用介质谐振器的特点发射接收电磁场与电磁波，为了防止电磁波的散射，分别在介质谐振器背面附上寄生贴片和上端加入反射板来提高天线的回波损耗驻波比VSWR，增益Gain[6?9]。本天线可以运用在5.1～5.9 GHz的频带Wireless Local Area Network（WLAN），并且避免了在其他频段出现窄带系统造成频带交叠的现象，从而不会出现超宽带通信系统与其他通信系统在工作时产生冲突和相互干扰[10?11]的情况。
1 天线的结构设计
天线的结构设计如图1和图2所示。
电磁仿真软件可以准确地分析电磁场问题，能够高精度的预测输入阻抗。矩形槽口的大小和位置会影响天线的性能。一般情况下，矩形槽的长度为使介质谐振器天线和微带线工作在谐振频率，并在该频段内充分耦合。可以由下列经验公式计算：
式中：为槽的长度；为真空中的波长；为介质谐振器的介电常数；为介质基板的介电常数。
矩形槽的宽度会影响天线后瓣的大小，为了避免后瓣过大，可以由如下经验公式计算：
天线介质板采用材料Rogers RT/duriod 5880TM，介电常数=2.2。介质谐振器采用Rogers RO3010TM，介电常数=10.2。支撑柱采用teflon_based，其介电常数=2.08。通过调节天线各个参数从而得到优化结果，最后得到的优化尺寸如表1所示。
2 结果分析
图3给出了仿真与测量结果的图像。仿真结果显示，该天线谐振在5.25 GHz和6.3 GHz，并且的阻抗带宽达到了39%，能够很好地覆盖WLAN频段。
图4～图7分别给出了谐振频率5.25 GHz和6.3 GHz在E面和H面的仿真与测量辐射方向图。从图中可以看出测量结果与仿真结果基本吻合。
圖8给出了该天线的驻波比，可以看到在4.6～6.8 GHz驻波比在4.8～6.6 GHz驻波比由此说明该天线在WLAN频段上工作性能优异。
3 结 论
本文提出的具有寄生贴片和反射板的紧凑型超宽带介质谐振器天线可以运用在WLAN频段，并且在该频段阻抗带宽达到了39%。该天线在5～6 GHz频带的回波损耗S（1，1）和驻波比VSWR分别在-15 dB和1.5以下，最大增益达到了7.26 dBi，而且避免了频带交叠导致的超宽带通信系统与其他通信系统在工作时的干扰和冲突，说明该天线在WLAN频段工作具有很好的性能。此外，该天线便于制作、尺寸小、易于与电路集成，因此具有较好的使用价值。
参考文献
[1] VOLAKIS J L. Antenna engineering： handbook [M]. American， Mc?Graw Hill， 2007： 151?180.
[2] PETOSA A， ITTIPIBOON A， ANTAR Y M M， et al. Recent advances in dielectric resonator antenna technology [J]. IEEE antennas & propagation magazine， 1998， 40（3）： 35?48.
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[11] YAZDI M， KOMJANI N. Planar UWB monopole antenna with dual band?notch UWB antenna with single tri?arm resonator [J]. IEEE transactions on antennas and wireless propagation letters， 2014， 13： 670?673.
