基片集成圆柱形介质谐振器天线设计

周祥伟，姬五胜，赵思雨，甘金凤，程琳琳

（1.天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津300222；2.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津300222）

近10年以来，无线通信系统已然发生了翻天覆地的变化，特别是便携式无线通信设备、多功能型智能终端的飞速发展使得通信系统越来越趋向于高速化和智能化。为了满足未来物联网、移动互联网等应用的需求，5G通信成为各国争相发展的重点[1]，通信系统的载波频率逐渐应用到毫米波波段。毫米波段不仅能够提供更宽的带宽，而且还能避免对较低频谱的干扰[2]。

天线是通信系统中用来发送和接收电磁波的部件。金属天线（贴片天线、偶极子天线）通常会有比较大的欧姆损耗，因此在毫米波频率下效率会降低。介质谐振器天线（dielectric resonator antenna，DRA）在金属的接地面上设置1个介质谐振器，让其通过一种特定的馈电方式来激励介质谐振器，从而形成辐射，其利用存储在介质中的能量，通过来回反射形成电磁振荡，以实现对电磁波的辐射和接收。因为没有表面波和导体的损耗，所以在毫米波的频段中，介质谐振器天线的效率也可达90%以上。介质常数和工作模式的选择具有多样性，因此DRA具备很高的设计自由度。这些特点使DRA成为毫米波系统的一个非常有潜力的候选天线[3-12]，其高度的灵活性和通用性，适合各种通信应用的物理或电气要求，可提供其他辐射元件无法提供的解决方案[13]。文献[14-15]提出了一种基片集成介质谐振器天线，其由内圆柱介质谐振器、外环介质谐振器和基片集成波导（SIW）腔组成[16-17]，在基片集成波导腔结构的基础上设计了一种基片集成圆柱形介质谐振器天线，通过增加天线单元形成天线阵列，使得天线达到更高增益，但是阻抗带宽较窄。本文设计一种基片集成圆柱形介质谐振器天线，天线由表层的辐射贴片层和顶部的天线介质基板（介质谐振器）以及底部的馈电介质基板3部分组成，利用微带线进行馈电，并通过调节接地层中的耦合十字槽和最上层的辐射贴片的尺寸，提高天线的阻抗带宽，可应用在毫米波频段。

1 基片集成圆柱形介质谐振器天线设计

圆柱形介质谐振器天线的结构如图1所示。

图1 圆柱形介质谐振器天线结构

天线由表层的辐射贴片层和顶部的天线介质基板（介质谐振器）以及底部的馈电介质基板3部分组成，其中辐射贴片向外辐射电磁波。在上层天线介质基板中，圆柱形介质谐振器天线通过使用2个同心圆形阵列的气孔和盲孔与下层介质基板隔离，使得电磁能量被限制在圆柱形介质谐振器内，气孔和盲孔之间的间隙仅有非常弱的辐射。由盲孔和中间接地层形成的基片集成波导腔用于增强介质谐振器天线的辐射。DRA与空气的界面近似于一个开路面，此时的圆柱形介质谐振器的表面可以作为一个磁壁，在界面上的电磁波反射系数近似于1，使其成为一个谐振腔。在馈电介质基板底层采用微带线进行馈电；在馈电介质基板顶层上方的金属接地面上刻蚀1个十字槽，用以激发DRA，该馈电方式可以提高天线增益。在最顶层的辐射贴片层上，设计一个半径为R0的圆孔以获得DRA的辐射面，孔内是一个圆形辐射贴片，带有2对45°倾斜的矩形槽。

天线介质基板的介电材料为罗杰斯5880，介电常数为εr1=2.2，长、宽、高分别为L2=4 mm、L3=4 mm、t2=0.127 mm。介质谐振器天线的介电材料为罗杰斯6010LM，介电常数为εr2=10.2，长、宽、高分别为L1=4 mm、L3=4 mm，t1=0.63 mm。介质谐振器天线基板上有2排半径为r=0.15 mm，高度为t1=0.63 mm的圆柱孔。

天线辐射贴片层中心设计了半径为R0=0.75 mm的圆孔，孔内是一个半径为R1=0.65 mm圆形贴片，贴片中的矩形槽长、宽分别为L1=0.5 mm、W2=0.21 mm；耦合十字槽的长、宽分别为W1=1.7 mm、W3=0.75 mm；底层馈电微带线的长、宽分别为F1=2.6 mm、F0=0.39 mm。

2 天线特性分析

本文利用Ansoft HFSS 15的电磁仿真软件对DRA进行优化、分析。该天线包含辐射贴片和耦合十字槽结构，通过调节耦合十字槽长W1和宽W3、贴片矩形槽宽W2和长L1等参数，对天线的回波损耗S11数值和方向图增益等参数进行优化。

当其他参数值不变，W1参数分别取1.7 mm、1.8 mm、1.9 mm、2.0 mm时，天线的回波损耗S11数值随参数W1的变化曲线如图2所示。

图2 天线S11随W1的变化曲线图

通过仿真软件HFSS的优化可以看出，改变W1的数值，在阻抗带宽（天线的阻抗带宽通常指S11＜-10 dB的频率范围）内，天线第1个谐振点（66.4 GHz附近）随着W1的增大向低频移动，第2个谐振点（68.8 GHz附近）也随着W1的增大向低频移动。尽管随着W1数值的增加，能够改善第1个谐振点（66.4 GHz附近）处的回波损耗S11数值，但是天线的相对阻抗带宽（S11＜-10 dB）变窄。当参数W1=1.7 mm时，可获得17.11%的阻抗带宽（S11＜-10dB），本设计最终选择W1=1.7 mm。当其他参数值不变，W2参数分别取0.18 mm、0.19 mm、0.2 mm、0.21 mm时，天线的回波损耗S11数值随参数W2的变化曲线如图3所示。

图3 天线S11随W2的变化曲线图

从图3可以看出，随着W2的增大，在阻抗带宽（S11＜-10 dB）内，天线第1个谐振点（67.7 GHz附近）的S11数值提高，第2个谐振点（69.4 GHz附近）的S11数值提高。尽管随着W2数值的降低会改善第2个谐振点处（69.4 GHz附近）S11的数值，但是会使阻抗带宽（S11＜-10 dB）变窄。当参数W2=0.21 mm时，可获得17.34%的最大阻抗带宽（S11＜-10 dB），最终选择W2=0.21 mm。当其他参数值不变，W3参数分别取0.6 mm、0.65 mm、0.7 mm、0.75 mm时，天线的回波损耗S11数值随参数W3的变化曲线如图4所示。

图4 天线S11随W3的变化曲线图

从图4可以看出，随着W3的增大，在阻抗带宽（S11＜-10 dB）内，天线第1个谐振点（67.7 GHz附近）左移且谐振点处S11（回波损耗）的数值变差，但是阻抗带宽（S11＜-10dB）变宽；第2个谐振点（69.5 GHz附近），随着W3的增大，逃逸出阻抗带宽（S11＜-10dB）。当参数取W3=0.75 mm时，可获得16.91%的最大阻抗带宽（S11＜-10 dB），最终选择W3=0.75 mm。当其他参数数值不变时，L1参数分别取0.35 mm、0.4 mm、0.45 mm、0.5 mm时，天线的回波损耗S11数值随参数L1的变化曲线如图5所示。

图5 天线S11随L1的变化曲线图

从图5可以看出，随着L1的减小，在阻抗带宽（S11＜-10 dB）内，天线第1个谐振点（67.7 GHz附近）向高频移动，而第2个谐振点（69.5 GHz附近），随着L1的减小，已经不在阻抗带宽（S11＜-10 dB）内；整体上阻抗带宽（S11＜-10 dB）变窄。当参数取L1=0.5 mm时，可获得17.21%的最大阻抗带宽（S11＜-10 dB），最终选择L1=0.5 mm。

经过HFSS仿真优化，当W1=1.7 mm、W2=0.21 mm、W3=0.75 mm，L1=0.5 mm、L2=4 mm、L3=4 mm，t1=0.63 mm、t2=0.127 mm，F0=0.39 mm、F1=2.6 mm，r=0.15 mm、R1=0.65 mm时，基片集成圆柱形介质谐振器天线的回波损耗S11数值的结果如图6所示。

图6 优化后的天线S11的结果

由图6可知，天线的第1谐振频率、第2谐振频率分别为68.4 GHz、74.7 GHz，S11分别达到-22.05 dB、-51.16 dB，阻抗带宽（S11＜-10 dB），其中阻抗带宽（S11＜-10 dB）为17.65%（66.1～78.9 GHz）。

介质谐振器天线三维方向图如图7所示，介质谐振器天线的E面-H面方向图如图8所示。

图7 介质谐振器天线三维方向图

图8 介质谐振器天线的E面-H面方向图

从图7、图8可以看出，天线辐射方向图的对称性较好。由图7可知，该天线增益最高可达到2.62 dB；但该天线增益还不够大，拟通过改变耦合槽的形状来改善，这有待于后续进一步研究。

3 结语

本文设计了一种基片集成圆柱形介质谐振器天线。利用微带线进行馈电，使用SIW腔结构将圆柱介质谐振器天线隔离，通过调节耦合十字槽及辐射贴片的尺寸，优化介质谐振器天线的性能。本文所设计的天线可在毫米波频段工作，有较高的带宽，但该介质谐振器天线仍存在一些不足之处，如天线的圆极化不够好，拟通过改变耦合槽的形状以及对辐射贴片形状进行改善，这有待于后续进一步研究。