一种宽频带介质谐振器天线的设计与实现*

郝宏刚,黄代利,李佳玉

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)

一种宽频带介质谐振器天线的设计与实现*

郝宏刚1*,黄代利2,李佳玉3

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)

提出了一种宽频带介质谐振器天线的设计。采用共面波导馈电的单极天线与介质谐振器天线的混合结构,通过调节谐振器尺寸与共面波导的结构,使各个工作模式的频带互相重叠,展宽所设计天线的带宽;同时地板引入开槽技术,对馈线进行阻抗匹配。通过软件仿真和实测结果显示:该天线频带宽度为2.98 GHz～7.18 GHz(S11<-10 dB),相对带宽为84.3%,带内最大增益可达4.9 dBi,很好满足WLAN/WIMAX通信系统对天线的应用需求,且结构简单,尺寸小,易集成。

介质谐振器天线;宽频带;共面波导;WLAN;WIMAX

随着无线通信事业的飞速发展,小尺寸,高效率,宽频带成为天线设计的发展趋势[1-3],许多应用程序,如数字广播、视频会议、卫星通信、雷达应用程序等都需要较宽的带宽。介质谐振器天线DRA(Dielectric Resonator Antenna)是近年来出现的一种新型天线,因其馈电形式多样,方向图易于调整,辐射效率高,尺寸小等突出特性受到国内外学者的广泛关注和研究[4-8]。但对DRA而言,在单一工作模式谐振时,由于其高介电常数,阻抗带宽通常低于10%,无法满足现代通信系统对天线带宽的要求,应用范围受到限制,因此增加额外的技术,拓展天线的整体带宽,显得尤为重要。目前拓展DRA带宽的方法主要有以下几种:将两个或多个介质谐振器叠加,文献[9]采用一个3层同心的半圆柱形介质谐振器天线,通过调节各层介质的介电常数和高度,相对带宽达到91.89%,但这一方法对加工精度及工艺要求较高,不易推广;采用特殊形状的介质谐振器,文献[10]采用碗状倒半球形DRA,阻抗带宽可达86%。但这一方法,加工复杂,尤其当使用介电常数较高的脆性材料时;此外,介质谐振器与单极天线的混合设计也可以获得较大的带宽,文献[11]采用了环形介质谐振器与平面印刷单极天线相结合的混合结构,阻抗带宽达到66.72%。在此基础上,本文提出一种新型的环形介质谐振器天线,采用共面波导的馈电机制,在地板部分引入L形槽和矩形槽,通过调节开槽的位置和尺寸,对馈线进行阻抗匹配,使所设计天线在工作频带内,获得良好的匹配特性。

图1 天线结构图

1 天线结构设计

图1为天线结构图,从图中可以看出,该天线由圆环DRA和共面波导馈电的印刷单极天线两部分组成。DRA通过环形贴片对其馈电,而环形贴片作为平面印刷单极天线本身就具有较宽的阻抗带宽,因此采用这种混合结构可以使所设计天线具有更宽的阻抗带宽。介质谐振器的形状和尺寸对天线的阻抗带宽有很大的影响,圆柱形介质谐振器是比较常见的一种形式,由于其加工简单,应用非常广泛。但相对于圆柱DRA而言,圆环DRA相当于在其内部引入了空气介质,降低了天线的整体Q值,在一定程度上可以扩展天线阻抗带宽。同时,为了进一步改善天线的阻抗匹配,在地板部分刻蚀L形槽和矩形槽,其目的主要是对馈线部分进行阻抗匹配,通过调节槽的尺寸,可以改善天线的整体匹配程度。该天线印刷在介电常数ε1=4.4的聚四氟乙烯介质基板上,损耗正切tanδ=0.02,基板厚度h=1 mm,尺寸为40 mm×35 mm,馈电部分为50 Ω的共面波导,中心带状线宽度W1,带状线与地板之间的缝隙宽度g。环形DRA采用相对介电常数ε2=10.2的微波材料,内外半径分别为r5和r6,厚度hd=2 mm。此外,天线其他参数的具体尺寸,如表1所示。

表1 天线尺寸

2 天线的仿真与优化

根据优化后的天线结构和尺寸,建立相应的仿真模型,并分析介质谐振器形状、尺寸以及地板开槽对天线性能的影响。

2.1 介质谐振器对天线性能的影响

为了验证介质谐振器对天线增益特性以及阻抗带宽的影响。首先对比了加载谐振器与未加载谐振器的天线增益变化曲线图,如图2所示,谐振器的加入,使得天线在工作频带内增益明显提高。同时,通过选择不同谐振器形状对比,如图3为采用圆柱DRA和圆环DRA时天线S11曲线图,可以发现,圆柱DRA覆盖频率范围2.8 GHz～6.8 GHz,圆环DRA覆盖频率范围2.98 GHz～7.18 GHz,相比圆柱DRA而言,相对带宽拓展了4%,且加工成本也有所降低。

图2 增益曲线图

图3 S11曲线图

此外,为了进一步验证介质谐振器对天线性能的影响,我们通过改变谐振器的高度hd,来观察天线反射系数的变化。图4为S11随hd变化曲线图,可以看出,hd对天线高频段的反射系数有较大影响。当hd在0.5 mm～3 mm之间变化时,随着高度的增加,天线的带宽逐渐变窄,恶化了天线性能,且hd过高也会导致高频段的方向图畸变。

图4 S11随hd变化曲线图

图7 天线辐射方向图

2.2 地板开槽对天线性能的影响

图5为所设计尺寸不变,地板开L形槽和未开L形槽时天线输入阻抗曲线图。可以看出,L形槽的引入,对2.6 GHz～3.6 GHz这一工作频段,阻抗匹配改善非常明显。图6为所设计尺寸不变,地板开矩形槽,S11随矩形槽长度l4变化曲线图,可以看出,当l4从1.5 mm变化到3 mm时,对天线的整体回波损耗有很大的影响,仅当l4=2 mm时,天线带宽最宽,且工作频带内匹配程度最佳。

图5 天线输入阻抗曲线图

图6 S11随l4变化曲线图

2.3 天线辐射方向图

图7为频率f=4 GHz、5.5 GHz、6.3 GHz时,天线的XOZ面、YOZ面辐射方向图。可以看出,在频率为4 GHz时天线辐射方向图同基本偶极子天线相似,XOZ面辐射方向图为典型的双向辐射,天线的YOZ面辐射方向图类似全向辐射,XOZ、YOZ面最大辐射方向交叉极化分别为-51 dB和-45 dB。频率为5.5 GHz时,XOZ面、YOZ面最大辐射方向交叉极化分别为-47 dB和-37 dB。随着频率的增大,天线辐射方向图发生形变,交叉极化变得严重,但在6.3 GHz时,XOZ、YOZ面最大辐射方向交叉极化仍然较小,分别为-33 dB和-28 dB。方向图的畸变主要是由于高频段高次模的出现,破坏了天线辐射方向图。但总体而言,该天线仍能很好满足WLAN、WIMAX等通信系统对天线辐射方向图的性能要求。

3 测试结果分析

图8为所设计天线的加工实物图。利用安捷伦N5242A矢量网络分析仪对天线的回波损耗进行测试,可得到如图9所示的实测S11曲线。由图9可见,实测与仿真效果吻合,实测的频带宽度为2.82 GHz～6.90 GHz,与仿真相比,相对带宽减少1%,分析误差的产生主要是由于加工精度,以及SMA 接头,粘胶和微带线焊接时出现的不均匀性造成的。

图8 天线实物图

图9 实测S11曲线

表2为所提出天线与其他同类型介质谐振器天线的实验结果对比。由表可见,本文所提出的天线,无论是在阻抗带宽、天线尺寸,还是在增益特性方面,都有比较突出的优势。尤其是在阻抗带宽以及低频段扩展上有进一步的提高,扩展了该天线的应用范围,使其具有更高的实用价值。

表2 本文结果与参考文献对比

4 结束语

本文设计了一款可应用于WLAN/WIMAX通信系统的宽频带介质谐振器天线。采用单极天线与圆环介质谐振器相结合的混合辐射机制,展宽天线带宽;同时通过地板引入开槽技术,实现工作频段2.98 GHz～7.18 GHz内的良好阻抗匹配。并对所设计天线进行实物加工,实测结果与仿真结果基本吻合。实验结果表明,该天线不仅可实现宽频带,且结构简单、尺寸较小,接地板,辐射贴片及馈源在同一平面上,易集成加工。此外,该天线还具有良好的方向性和增益性能,可广泛应用于WLAN/WIMAX通信系统。

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TheDesignandImplementationofaBroadbandDielectricResonatorAntenna*

HAOHonggang1*,HUANGDaili2,LIJiayu3

(School of Optical and Electronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

A broadband dielectric resonator antenna is proposed. Using the composite structure of monopole antenna and dielectric resonator antenna that fed by CPW,the modes of various operating bands are overlapped by adjusting the dimensions of the resonator and the construction of the CPW to extend the bandwidth.Meanwhile,the impedance of the feed line is matched by applying the slotting technology on the ground plane. Simulated and experimented results show that the bandwidth of the antenna is 2.98 GHz～7.18 GHz(S11<-10 dB),the relative bandwidth is 84.3% and the maximum gain is 4.9 dBi over the entire frequency band.The proposed wideband dielectric resonator antenna which is simply constructed in small dimensions is liable to be integrated and qualified for applications in WLAN/WIMAX communication systems.

dielectric resonator antenna;broadband;CPW;WLAN;WIMAX

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.006

项目来源:重庆市委科学技术研究项目(KJ1600438)

2016-07-11修改日期2016-10-27

TN822+.8

A

1005-9490(2017)05-1078-05

郝宏刚(1977-),男,山东禹城人,教授,博士,主要研究方向为光电检测技术、LED通信技术、电磁理论及应用研究;

黄代利(1992-),女,重庆人,学生,硕士,主要研究方向为介质谐振器天线设计;

李佳玉(1991-),女,重庆人,学生,硕士,主要研究方向为车载天线设计。