多移动通信模式下的双频介质谐振器天线设计

阚国锦，林文斌，邹德友，郑浩天



多移动通信模式下的双频介质谐振器天线设计

阚国锦，林文斌，邹德友，郑浩天

（西南交通大学 物理科学与技术学院，四川 成都 610031）

设计的双频段新型介质谐振器天线（DRA）谐振在2.16 GHz和2.61 GHz，工作在2.11~2.20 GHz和2.555~2.655 GHz，可应用于手持无线通信设备中。该天线使用商业电磁仿真软件设计而成，通过微带线给介质谐振器馈电并加入上层反射板提高天线的性能参数，天线尺寸为34 mm33 mm22.6 mm。由仿真结果可知，该天线可以完整覆盖CDMA2000、WCDMA和TD-LTE移动通信模式，两个频段带宽分别为90 MHz和100 MHz；最大增益为8.03 dBi。该天线具有平面方向尺寸小、激励方式简单、便于携带等优势。

双频段；介质谐振器天线；TD-LTE；微带线；反射板；高增益

多频段无线通信技术受欢迎的原因在于，一台移动设备可以在不同频段和不同网络下使用。在过去的十年里，很多科研人员试图使用介质谐振器设计一款应用于多频段的天线。本文就一种微带线馈电方式的双频段介质谐振器天线（DRA）[2]进行了设计和研究。

DRA与传统类型天线相比具有更多优势，例如：高辐射效率、馈电方式种类多和易于控制尺寸和带宽[3]。介质谐振器天线通过整个谐振器表面（除了与接地板接触的那个面之外）进行辐射，因为没有导体和表面波损耗，而自身介质损耗又小，所以其辐射效率高达95%以上[4]。介质谐振器天线可以支持多种模式，谐振在接近的两个频段里，可以满足不同用户需求。在大多数系统中，小型终端和基站需要同时工作在不止一个频段中[5-6]，因此DRA的多频工作特点可以满足当下市场的需求。

本文尝试使用微带线馈电方式直接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波，为了防止电磁波的散射，分别在介质谐振器背面附上2段寄生贴片和上端加入反射板来降低天线的回波损耗11和提高增益Gain。反射板由上层贴片和上层介质板组成，上层贴片在上层介质板下，贴片所使用材料为PEC，上层介质板与下层介质板大小相等，材料均为FR-4。本天线可以运用在2.11~2.20 GHz和2.555~2.655 GHz频段，并完全覆盖了CDMA2000、WCDMA和TD-LTE移动通信模式。本文分析了反射板高度参数和介质谐振器下微带线长度对天线性能的影响，通过合理地选取支柱高度和微带线长度（支柱高度决定反射板高度），可实现天线工作在TD-LTE模式的同时还可以工作在CDMA2000和WCDMA模式。仿真结果表明，该天线具有良好的双频段工作特性，适用于手持移动通信设备系统中。

1 设计与结构

双频段介质谐振器天线的结构设计如图1和图2所示。

图1 天线主要元件示意图

图2 天线结构示意图

位于下层介质板上的长方体介质谐振器[8]是该天线的组成元件之一，为了提高微带线与介质谐振器的耦合强度，一般情况下介电常数d>20，本文令d=24；尺寸为34 mm×33 mm×10 mm（长×宽×高）。介质板采用印刷电路板（PCB）的基板，材料为FR-4（相对介电常数r=4.3），厚度为1.6 mm。接地板位于下层介质板下，下层介质板与接地板的大小均为140 mm×140 mm。在介质板上通过支柱将反射板支撑于介质谐振器上方，支柱的材料为Teflon_Based（介电常数z=2.08）。该天线由50 Ω微带线馈电，馈电端口与SMA连接器内的耦合探针连接。其中表1为该天线的具体参数。

表1 天线结构参数

Tab.1 Antenna structure parameters

2 分析与仿真

该介质谐振器天线使用微带线耦合馈电方式，被用作激励长方体DRA的TE11模。TE11模式下的谐振频率可以通过下面公式（1）~（3）[7]求出。

(2)

式中：k、k、k分别为、、方向的波常数；o是自由空间中的波常数；为真空中光速。

然后利用公式（3）即可求得该天线的谐振频率。

介质谐振器天线磁场模型，如图3（a）所示；可等效为水平短磁偶极子模型，如图3（b）所示。

经仿真结果发现，添加反射板对该介质谐振器天线的回波损耗11有明显改善，有无反射板的仿真结果对比如图4所示。由图4可以看出，在1.8~2.7 GHz时，该天线有反射板时工作的效果明显好于无反射板的情况，并且满足CDMA2000、WCDMA和TD-LTE移动通信模式的要求[8]。

图3 天线磁场模型(a)和等效模型(b)

图4 反射板对天线性能的影响

对该天线的支柱高度和介质谐振器下微带线长度进行仿真，得到变化时天线的回波损耗变化曲线如图5所示。由图可知，当其他参数一定的情况下，当改变支柱的高度时，随着的增大天线的频段1会向左移动，频段2基本保持不变，为了让该天线工作在TD-LTE模式的同时还工作在CDMA2000和WCDMA模式，最终选择=19.365 mm。

图5 支柱高度H与S11的关系图

当天线工作在CDMA2000、WCDMA和TD-LTE模式时，两个仿真参数处于匹配状态，天线的性能达到最佳。微带线与介质谐振器耦合的大小决定了天线工作性能的好坏，通过调节微带线长度来改变图6中长度提高微带线与介质谐振器的耦合强度；天线回波损耗随长度的变化如图6所示。由图可知，随着的增大，天线阻抗匹配在低频段逐步得到改善，当=33.7 mm时，天线阻抗匹配最好。当继续增加时，天线在高频段的阻抗匹配变差。

图6 长度D与S11的关系图

频段1和频段2的中心频率和带宽如表2，3所示。可以得出该天线适用于CDMA2000和WCDMA模式，并且在2.555~2.655 GHz完全覆盖了TD-LTE模式。

表2 天线中心频率和最小回波损耗

Tab.2 Antenna center frequency and minimum return loss

表3 天线的带宽和适用频段

Tab.3 The bandwidth of the antenna and the applicable frequencies

图7分别给出了天线在2.16 GHz和2.61 GHz时o面和o面的仿真辐射方向图。天线在低频段时，呈现良好的辐射特性，但随着频率的增加，天线的辐射方向图发生了改变[9]。

天线在2.0~2.7 GHz时各个频点的最大增益随频率变化曲线[10]如图8所示。由图可知，天线工作在频段1和频段2增益效果较好，最小增益大于5.3 dBi，在2.7 GHz时达到增益最大值8.03 dBi。

图8 天线增益变化曲线图

3 结论

本文所述的多移动通信模式下的双频段介质谐振器天线，通过在介质板谐振器上方加入反射板以提高天线性能。从仿真结果来看，该天线具有双频段工作特性、平面方向尺寸小和较高的增益等优点。同时本文还分析了反射板的有无、高低和微带线长度对天线性能的影响，并得到最优参数。该天线满足多移动通信模式的要求，适用于小型手持无线通信设备与系统。

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（编辑：陈渝生）

Design of dual band DRA in multiple mobile communication mode

KAN Guojin, LIN Wenbin, ZOU Deyou, ZHENG Haotian

(School of Physical Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

A dual band dielectric resonator antenna was proposed, with the resonance frequencies being 2.16 GHz and 2.61 GHz. The operating bandwidths are 2.11－2.20 GHz and 2.555－2.655 GHz, respectively. The antenna can be apply to wireless communication devices, which is designed by business electronmganetic simulction software. The antenna is fed by a microstrip line and its size is 34 mm×33 mm×22.6 mm. In order to improve the performance, an upper reflector was added. The simulated results show that the antenna covers CDMA2000, WCDMA and TD-LTE mobile communication modes, bandwidths are 90 MHz and 100 MHz, respectively. The maximum gain is 8.03 dBi. Because it has advantages of compact size, simple feed and portability, the proposed antenna may be useful in wireless communications.

dual band; dielectric resonator antenna (DRA); TD-LTE; microstrip; reflector; high gain

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.08.015

TN826

A

1001-2028（2017）08-0084-04

2017-07-03

林文斌

教育部博士点基金项目（No. 2011018411001）

林文斌（1970－），男，福建福清人，教授，主要从事天线理论与技术方面研究，E-mail: wl@swjtu.edu.cn ；阚国锦（1992－），男，北京人，研究生，研究方向为天线理论与技术，E-mail: kanguojin@my.swjtu.edu.cn 。

网络出版时间：2017-07-31 11:32

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170731.1132.015.html