一种新型X波段超宽带介质谐振器天线的设计

邹德友+林文斌+唐晋生+阚国锦+郑浩天

摘 要： 设计了一种新型的超宽带介质谐振器天线。该天线采用微带?槽耦合馈电方式，通过在地板上开矩形槽，背面由50 Ω的微带线中心馈电，从而展宽带宽。采用类似T型层叠结构，产生两种频率相近的模式，从而显著提高天线的阻抗带宽。仿真结果显示，该新型超宽带介质谐振器天线工作于X波段，天线的相对阻抗带宽达到47.37%，频段内平均增益超过7.2 dBi，天线方向图对称性良好。天线的整体辐射特性良好，且结构简单，易于实现，可应用在微波通信、雷达等领域。

关键词： 介质谐振器； 超宽带； X波段； 微带?槽耦合； 阻抗带宽； 高增益

中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）03?0027?03

Abstract： A novel ultra?wide band dielectric resonator antenna （DRA） is designed in this paper. The microstrip?slot coupling feeding mode is adopted in the DRA. The rectangular slot is grooved on the substrate of the antenna， and its reverse side is fed by the centre of microstrip line of 50 Ω to extend the band. The T?like stepped structure is adopted in DRA to generate two resonant modes with similar frequency， so as to improve the impedance bandwidth of the antenna. The simulation results show that， when the new ultra?wide band DRA works at X?band， the impedance bandwidth of the antenna can reach up to 47.37%， the average gain within the band is higher than 7.2 dBi， and the antenna pattern has perfect symmetry. The antenna has good overall radiation characteristic， simple structure and easy implementation， and can be applied to the microwave communication， radar and other fields.

Keywords： dielectric resonator； ultra?wide band； X?band； microstrip?slot coupling； impedance bandwidth； high gain

0 引 言

介质谐振器天线（DRAs）具有很多优点，比如低损耗、小型化、高辐射效率。但介质谐振器的带宽较窄。介质谐振器的品质因数对天线的阻抗带宽有重要影响，阻抗带宽（BW）与品质因数值的关系为：

式中：是DRA馈电端口的最大电压驻波比VSWR。由该等式可知，在单一模式下，提高带宽可以通过降低谐振器的值来实现，即需具有更低介电常数的介质材料。用空气缝或镂空的DRA[1?2]也具有宽带特性，但体积会相应增大。

除此之外，还有其他提高DRA带宽的方法，如引入多模谐振[3?5]，可以激励多个谐振模，但也会影响辐射方向图的对称性。而方向图的对称性可以通过采用微带?槽耦合馈电[6?10]来实现。

1 天线结构设计

本文设计了一个X波段的宽带介质谐振器天线，天线的馈电形式是用微带?槽耦合来实现的。微带?槽耦合馈电的介质谐振器天线的结构如图1所示。

介质谐振器是一种T型叠层结构，这种结构可以很好地增大带宽。并且这个介质谐振器位于矩形槽的中心，由50 Ω的微带线中心馈电。天线10 dB阻抗带宽范围为7.74～12.544 GHz，相对阻抗带宽可达47.37%，且频段内平均增益超过7.2 dBi，天线在10 GHz最大辐射方向图的增益为8.54 dBi，天线模型由电磁仿真软件仿真完成。天线结构紧凑，实现了小型化。天线整体尺寸为15.5 mm×15.5 mm×4.4 mm。方形介质谐振器的顶层长度15.5 mm；中间层长度6.7 mm；底下层长度6 mm。每层谐振器厚度分别为：1.8 mm；1.3 mm；1.3 mm。介质谐振器的介电常数为12。介质基板上面为地板，刻出长5.4 mm，宽0.5 mm的矩形槽缝隙，介质谐振器放在缝隙上面，且开槽中心与辐射单元的中心重合。介质基板尺寸为27 mm×17 mm×0.81 mm，采用介电常数为3.38的Neltec NH9338材料。馈电线路位于介质板下部，其终端是开路微带线，微带线垂直于槽并通过槽的中心位置。微带线宽度1.88 mm，微带线末端枝节3.2 mm，用于调节阻抗匹配。通过调节矩形槽的尺寸和末端枝节从而改善天线的阻抗匹配特性。

2 天线结果及其讨论

由于矩形槽缝隙对电流的微扰作用，在天线的主谐振频率附近形成了两个谐振点。通过调节缝隙尺寸以及微带线尺寸可以使这两个谐振点逐渐靠拢到一起并达到较为理想的匹配状况，从而展宽天线的阻抗带宽。由图2可知，通过适当地调节末端枝节的长度，可以提高天线的阻抗匹配，故微带线末端枝节可作为一个重要的调谐因素。

图3给出了DR的尺寸对回波损耗的影响。由图3可知，随着的增大，天线的阻抗特性提高，因此，适当增大上层介质的长度，可以提高天线的阻抗带宽。endprint

图4给出了设计天线仿真的回波损耗和增益图。DRA工作频段为X波段，可以看出天线的仿真-10 dB的频率变化范围是7.74～12.54 GHz。仿真的增益均在7 dBi以上，最大增益可达8.5 dBi。因此，天线在X频段内工作稳定。

图5给出了DRA分别工作于8 GHz，9 GHz，10 GHz，11 GHz的E面和H面的二维辐射方向图。由图5可知，天线在H面的主射方向是对称分布的。由于天线的辐射由微带?槽耦合激励，微带线和开路终端枝节使得E面辐射图有轻微的不对称。

3 结 语

本文设计了一个微带?槽耦合激励的T型结构介质谐振器天线。通过电磁仿真软件得到，天线的相对阻抗带宽达到47.37%，平均增益达到7.2 dBi。由于天线结构、矩形槽缝隙、微带线均对称，使得天线的主要辐射波瓣图满足了X波段的需求，波瓣图大体上呈对称性。该天线在卫星通信、气象雷达等领域应用前景广泛。

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