介質(zhì)諧振器天線研究進展

鐘順時 韓榮蒼，2 劉 靜，3 孔令兵

（1.上海大學通信與信息工程學院，上海200072；2.臨沂大學理學院物理與電子學系，山東 臨沂276000；3.上海電力學院電子與信息工程學院，上海200090；4.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海201109）

引 言

低損耗高Q值的介質(zhì)諧振器（Dielectric Resonator，DR）在20世紀70年代已在微波毫米波集成電路與系統(tǒng)中獲得大量應(yīng)用［1］.英國時代科技公司（ERA Technology）在1981年率先制成一副介質(zhì)波導(dǎo)饋電的K波段介質(zhì)諧振器天線陣［2］.1983年，美國休斯敦大學的Long教授首次在理論上闡述了圓柱形介質(zhì)諧振器天線的工作原理，并給出了實驗驗證［3］.此后，在世界范圍內(nèi)展開了介質(zhì)諧振器天線（Dielectric Resonator Antennas，DRA）的廣泛研究與應(yīng)用.

三十多年來，特別是近十年來，DRA技術(shù)發(fā)展迅速，取得了不少研究成果［4-9］.1980至1990年的研究重點集中于用數(shù)值法分析DRA的輸入阻抗、Q值、輻射特性以及饋電方法等.代表性的研究成果主要反映在Luk ＆Leung和Petosa的兩本書［4-5］中，其中歸納了眾多學者的研究工作；在此期間，Mongia已總結(jié)了多種基本形狀DRA的諧振頻率和帶寬的經(jīng)驗公式［6］.在20世紀末到21世紀初更多的研究工作是在寬帶／超寬帶、圓／雙極化、高階模／高增益和毫米波DRA等方面［7-9］；電磁仿真軟件的發(fā)展為研究特殊形狀DRA提供了有利條件，一些新奇的形狀開始應(yīng)用于寬帶和圓極化DRA的設(shè)計中.代表性研究機構(gòu)有美國密西西比大學、加拿大通信研究中心和渥太華大學等，中國主要有香港城市大學、清華大學、電子科技大學、西安電子科技大學和上海大學等.然而，目前國內(nèi)尚未見較詳細地介紹DRA的中文文獻.本文將圍繞DRA的研究熱點，介紹其發(fā)展現(xiàn)狀和新進展，以拋磚引玉.

1 介質(zhì)諧振器天線的分析方法

DRA是由低損耗的微波介質(zhì)材料構(gòu)成的輻射器，一般通過微帶線、微帶縫隙或探針等饋電結(jié)構(gòu)對其饋電.一副層疊式寬帶DRA的結(jié)構(gòu)如圖1所示［10］.這里的圓柱形介質(zhì)諧振器由不同介電常數(shù)的介質(zhì)層來構(gòu)成，以展寬頻帶.DRA的輻射類似于短的磁偶極子的輻射，單個DRA的基模輻射增益一般約為2～6dBi.

圖1 層疊式寬帶DRA［10］

介質(zhì)諧振器天線具有以下特點［11］：

1）通過除地面以外的整個諧振器表面輻射，且沒有導(dǎo)體和表面波損耗，因而具有較寬的阻抗帶寬（例如取εr≈10，可獲得約10%的阻抗帶寬）和較高的輻射效率（≥95%）；

2）通過選擇不同介電常數(shù)的材料，天線尺寸和帶寬可靈活控制；

3）諧振器形狀和饋電方式靈活多樣，并可激勵起多種模式，便于實現(xiàn)寬帶、多頻或高增益設(shè)計；

4）加工簡單且對公差敏感度較低并具有較高的溫度穩(wěn)定性.

基于上述特點，DRA用作小尺寸的低增益天線單元是很有吸引力的，特別是在毫米波波段.當頻率高至毫米波時，由于DRA無導(dǎo)體損耗和表面波損耗，且公差要求較低，它與微帶天線相比具有特殊的優(yōu)勢.而在低頻段，由于DRA最大尺寸正比于λ0（εr）-1／2（λ0是其自由空間諧振波長，εr是介質(zhì)諧振器的相對介電常數(shù)），而其輻射效率并不直接受εr影響，因而可采用高εr來明顯降低天線尺寸，并且可將高度h做得很低.例如取80＜εr＜100，DRA高度h可低至0.025＜h＜0.035，而能保持約3.5%的阻抗帶寬.注意，介質(zhì)諧振器天線的阻抗帶寬與εr基本上成反比關(guān)系，所以εr需適當選擇，一般取4＜εr＜100.DRA的頻率范圍約為50MHz至100 GHz.

DRA是一種諧振式天線，其諧振頻率取決于諧振器尺寸、形狀和材料的介電常數(shù)，并與饋電結(jié)構(gòu)等因素有關(guān).分析介質(zhì)諧振器的方法主要有解析法、近似法和數(shù)值法.解析法只對存在閉式格林函數(shù)的結(jié)構(gòu)有效，置于導(dǎo)體面上的半球形DRA的諧振頻率可通過解析法求解［12］.有限長圓柱或矩形介質(zhì)諧振器不存在嚴格閉式的格林函數(shù)，只能用近似法或數(shù)值法求解.近似法主要有Okaya-Barash提出的磁壁模型（Magnetic Wall Model，MWM）［13］與Chang-Itoh提出的介質(zhì)波導(dǎo)模型（Dielectric Waveguide Model-DWM）［14］.磁壁模型假設(shè)介質(zhì)界面為理想磁壁，是一種比較粗糙的近似方法，計算精度較差.介質(zhì)波導(dǎo)模型是基于Marcatili波導(dǎo)模型改進的近似方法，與磁壁模型法相比精度更高，能夠滿足工程需要.數(shù)值法主要有矩量法（Method of Moments，MOM）［15］、有 限 元 法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）［16］和時域有限差分法（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD）［17］等.采用嚴格的數(shù)值法分析時，能將介質(zhì)諧振器周圍的環(huán)境影響也考慮在內(nèi)，理論上可以計算出期望精度的諧振頻率和場分布.

在實際工程設(shè)計中，對置于導(dǎo)體面上的圓柱形DRA，Long教授已給出諧振頻率的解析解［3］.其常用的輻射模有TE01δ、TM01δ和HE11δ模，其諧振頻率可用下列經(jīng)驗公式估算［6］：對TE01δ模

對TM01δ模

對HE11δ模

式（1）～（3）中：c為自由空間中的光速；a為圓柱諧振器的直徑；h為高度.

置于導(dǎo)體面上的矩形DRA，諧振頻率可通過DWM法計算，求解過程涉及超越方程的求解.其基模TMδ11模諧振頻率的近似表達式為［5］

式中：

d，w，h分別為諧振器在x，y，z方向的長度，單位為cm；f0的單位為GHz.

對置于導(dǎo)體面上的半球DRA，可以通過解超越方程求得TE111模的諧振頻率［18］為

式中：a為半球介質(zhì)諧振器的半徑；Re（ka）為復(fù)數(shù)ka的實部.

2 寬帶／超寬帶介質(zhì)諧振器天線

由于DRA除接地板外的各個面均可輻射，而微帶天線主要是通過兩個輻射縫隙輻射的，所以DRA具有更寬的阻抗帶寬.這是DRA有別于微帶天線的主要特征之一.介質(zhì)諧振器的品質(zhì)因數(shù)，即Q值，對天線的阻抗帶寬具有重要影響.若DRA的饋電端口處能承受的最大電壓駐波比RVSW不大于S，則阻抗帶寬WB與Q值有如下關(guān)系：

可見，在單一工作模式下提高DRA帶寬的基本途徑，就是降低諧振器的Q值，即減小介質(zhì)材料的介電常數(shù).例如，相對介電常數(shù)小于10的矩形DRA經(jīng)優(yōu)化后，帶寬可達到20%［5］；鏤空或內(nèi)嵌低介電常數(shù)介質(zhì)的DRA由于等效介電常數(shù)降低，也具有寬帶特性［19-20］.除此之外，提高DRA帶寬的主要途徑是引入多模諧振，介紹如下.

2.1 寬帶高階模DRA

激勵兩個具有相似邊射輻射特性的諧振模，是設(shè)計寬帶DRA的最簡單的方法之一.文獻［21］報導(dǎo)，利用同軸和縫隙耦合兩種饋電方式激勵圓柱諧振器的高階模HEM11Δ（1＜Δ＜2），通過調(diào)節(jié)諧振器尺寸比例關(guān)系，使之與基模HEM11δ（0＜δ＜1）同時工作，從而實現(xiàn)了寬帶設(shè)計.研究表明，當諧振器的半徑高度比等于0.329時，天線最優(yōu)帶寬為26.8%.而基模TE111和高階模TE113同時工作的矩形DRA（εr≈10）實現(xiàn)了超過40%的阻抗帶寬［22-23］.由于簡單結(jié)構(gòu)（例如矩形、圓柱形、半球形）的諧振頻率容易計算，而特殊結(jié)構(gòu)的諧振頻率不易求出，所以高階模的引入一般只用于簡單結(jié)構(gòu)的寬帶DRA設(shè)計.

2.2 寬帶層疊／階梯形DRA

層疊式寬帶DRA［10］的結(jié)構(gòu)已示于圖1中，層疊結(jié)構(gòu)，由于采用不同介電常數(shù)的各層介質(zhì)對應(yīng)的固有諧振頻率不同，會產(chǎn)生多諧振現(xiàn)象，從而使DRA的相對帶寬展寬到66%.針對不同的結(jié)構(gòu)，G.Walsh等給出了層疊與嵌入式DRA帶寬與阻抗的變化規(guī)律［24］.階梯形結(jié)構(gòu)的DRA可認為是層疊式結(jié)構(gòu)的另一種形式，由于各層等效介電常數(shù)不同，也具有多諧振特點，可獲得較寬的阻抗帶寬.口徑耦合的倒金字塔階梯形DRA，實測阻抗帶寬可達62%，覆蓋6.6～14.6GHz頻段［25］.

2.3 寬帶特殊形狀DRA

特殊形狀的介質(zhì)諧振器結(jié)合特定的饋電結(jié)構(gòu)，可以激勵起多個模式，已廣泛應(yīng)用于寬帶DRA設(shè)計中.文獻［26］分析了不同形狀的錐臺DRA，文中指出倒錐形獲得的阻抗帶寬最寬，其中半錐臺設(shè)計的阻抗帶寬達到了50%；形狀與之類似的碗型DRA帶寬可達85%［27］；本課題組［28］采用三角貼片激勵U形介質(zhì)諧振器，實現(xiàn)了84.1%的阻抗帶寬；降低諧振器剖面結(jié)合缺陷地的平面單極子結(jié)構(gòu)也能實現(xiàn)超寬帶設(shè)計［29］.此外，其他典型的DRA形狀還有蝶形［30］和T形［31］等.

2.4 混合輻射結(jié)構(gòu)DRA

輻射縫隙激勵的介質(zhì)諧振器天線是混合輻射結(jié)構(gòu)DRA最早的形式［32］，由于縫隙諧振模與介質(zhì)諧振器的諧振模產(chǎn)生模式合并，從而實現(xiàn)了寬帶或者雙頻設(shè)計［33-34］.顯然，縫隙諧振模和諧振器諧振模的帶寬均會影響天線帶寬.為了實現(xiàn)更寬的阻抗帶寬，一般采用寬帶饋電結(jié)構(gòu)或?qū)拵еC振器結(jié)構(gòu)來設(shè)計寬帶DRA.常用的組合形式是用特殊形狀的介質(zhì)諧振器與單極子天線相結(jié)合.國際象棋棋子形（如圖2所示）介質(zhì)諧振器與單極子混合結(jié)構(gòu)［34］的阻抗帶寬可達122%.文獻［36］在圓柱形介質(zhì)諧振器與單極子混合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在圓柱介質(zhì)上加一圓環(huán)，其上又加一圓錐介質(zhì)，使RVSW.≤2阻抗帶寬達到148.4%（6.2～42GHz）.

寬帶印刷單極子天線已廣泛應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中［37］.這類寬帶單極子天線一般采取兩種激勵方式，一種是共面波導(dǎo)激勵，另一種是結(jié)合缺陷地結(jié)構(gòu)的微帶線激勵.這兩種激勵方式同樣可用于超寬帶DRA的設(shè)計中.共面波導(dǎo)激勵的印刷單極子與矩形介質(zhì)諧振器相結(jié)合的設(shè)計獲得大于3∶1的比帶寬［38-39］；缺陷地微帶單極子激勵的矩形諧振器，實現(xiàn)了93%的阻抗帶寬，而且具有邊射方向圖［40］.

圖2 國際象棋棋子形超寬帶DRA

表1對寬帶／超寬帶DRA設(shè)計作了歸納.可見，寬帶DRA設(shè)計的重要途徑是使用各種方法引入多個諧振模.激勵高階模，使用層疊介質(zhì)結(jié)構(gòu)或特殊的介質(zhì)結(jié)構(gòu)均可達到引入多諧振的目的.而混合輻射結(jié)構(gòu)在寬帶設(shè)計方面具有更強的靈活性，已成為超寬帶DRA的主要發(fā)展趨勢.

表1 寬帶／超寬帶DRA

3 圓／雙極化介質(zhì)諧振器天線

3.1 圓極化DRA

天線產(chǎn)生圓極化波的關(guān)鍵是形成兩個極化正交、幅度相等、相位相差90°的線極化波.DRA圓極化技術(shù)與微帶天線類似，歸納起來可分為單饋點法、雙／多饋點法和多元法三類.圓極化天線的基本電參數(shù)是最大增益方向上的軸比RA，把軸比不大于3 dB的帶寬定義為圓極化帶寬，或稱為軸比帶寬.軸比將決定天線的極化效率，表征天線極化純度的交叉極化也可以通過軸比來衡量［41-42］.

單饋點型圓極化DRA如圖3所示.一般采用具有不同微擾結(jié)構(gòu)的介質(zhì)諧振器來調(diào)節(jié)兩個正交線極化的幅度和相位，例如：切角諧振器［43］，十字形諧振器［44］，橢圓形［45］和半圓形諧振器［46］.這些結(jié)構(gòu)微擾理論與圓極化微帶天線的設(shè)計類似.此外還有激勵某些特殊形狀的諧振器［47-49］，或者采用特定的饋電方式，如十字型［50］縫隙、Y型［51］微帶線、C字型［52］缺口圓環(huán)和螺旋線［53］饋電結(jié)構(gòu)來激勵簡單的介質(zhì)諧振器，及附加寄生金屬貼片來形成正交極化模以實現(xiàn)圓極化輻射［54］.

可見，單饋點型圓極化DRA設(shè)計比較靈活，結(jié)構(gòu)較為簡單，但常規(guī)設(shè)計的軸比帶寬僅能做到1%～15%［7］.而采用電阻加載的縫隙激勵簡單介質(zhì)諧振器的圓極化設(shè)計［55］和縫隙激勵的開槽棱臺設(shè)計［56］分別可獲得18.5%和21.5%的3dB軸比帶寬.如果要進一步提高軸比帶寬，則需采用寬帶介質(zhì)諧振器和寬帶饋電結(jié)構(gòu).例如，Khalily等提出了一種單點饋電寬帶圓極化DRA［57］，它采用開口環(huán)形地產(chǎn)生線極化模，使其與單極子DRA的輻射場正交，從而實現(xiàn)了圓極化輻射.該寬帶DRA獲得了51%的軸比帶寬和53%的阻抗帶寬.

圖3 單饋點圓極化DRA示意圖

對于雙／多饋點技術(shù)，要求相鄰饋電點信號幅度相等，極化正交，相位相差90°.那么，介質(zhì)諧振器結(jié)構(gòu)上也應(yīng)具有對稱性，例如截面為正方形（環(huán)）或圓形（環(huán)），饋電方式如圖4所示.圖4中P1，P2，P3，P4均為饋電點，圖4（a）中的P1，P2兩饋點的信號幅度相等，極化正交，相位相差90°；圖4（b）中四點信號除幅度相等，極化正交外，相位依次為0°、90°、180°和270°.這些饋電網(wǎng)絡(luò)都需結(jié)合功分和移相電路，例如混合電橋，威爾金森功分器或T型功分器附加90°移相器等來實現(xiàn).饋電網(wǎng)絡(luò)的性能將直接影響天線的軸比和阻抗帶寬.

1994年，Mongia等人首次用3dB混合電橋結(jié)合雙探針饋電空心圓柱介質(zhì)諧振器（εr＝36））天線，實現(xiàn)了大于11%的軸比帶寬［58］.同樣利用此技術(shù)，通過使用低介電常數(shù)（εr≈10）的介質(zhì)材料可以實現(xiàn)超過20%的軸比帶寬［59］.本課題組研制的雙探針饋電圓極化方形DRA（εr＝12），利用由威爾金森3dB功分器和寬帶90°移相器組成的饋電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了41.7%的軸比帶寬［60］.我們研制的另一類似設(shè)計如圖5所示，由于饋電結(jié)構(gòu)與DR實現(xiàn)了更好的匹配，其實測的有效圓極化帶寬（RA≤3dB，RVSW≤2）達46.9%［61］.采用多點饋電技術(shù)的圓極化DRA一般能獲得更大的圓極化帶寬.采用四饋點的圓柱DRA已獲得25%～50%的軸比帶寬和阻抗帶寬［62-63］.

圖4 雙／多饋點圓極化DRA示意圖

圖5 寬帶雙饋點圓極化DRA［61］

多元法圓極化技術(shù)的本質(zhì)就是通過天線陣來實現(xiàn)圓極化.多元圓極化天線一般采用順序旋轉(zhuǎn)饋電，各陣元饋電的位置依次旋轉(zhuǎn)90°，通過饋電網(wǎng)絡(luò)使陣元間相位相差90°.這樣，相鄰陣元的輻射場在空間形成一對極化正交、幅度相同、相位差為90°的線極化波.文獻［64-66］使用順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)均實現(xiàn)了大于20%的軸比帶寬.多元法的優(yōu)點是可以提高天線增益和帶寬，但體積變大，同時增加了加工成本，所以饋電網(wǎng)絡(luò)的小型化與寬帶設(shè)計同樣重要.上述三類圓極化DRA的技術(shù)性能歸納于表2，對其優(yōu)缺點的評價是就一般而論，并不絕對.

表2 圓極化DRA

3.2 雙極化DRA

天線的雙極化技術(shù)在地面無線通信、衛(wèi)星通信、合成孔徑雷達等系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如：用極化分集技術(shù)在無線通信中抑制信道衰落，提高系統(tǒng)信噪比；用極化復(fù)用技術(shù)在衛(wèi)星通信中提高頻譜利用率；利用天線的雙極化工作在射頻識別系統(tǒng)中實現(xiàn)收發(fā)信道的隔離等.端口隔離度與交叉極化電平是衡量雙極化天線性能的重要指標，且與其饋電結(jié)構(gòu)密切相關(guān).雙極化DRA的各種饋電結(jié)構(gòu)如圖6所示，它們對端口隔離度和交叉極化電平的影響歸納在表3中［67］.可見，采用縫隙耦合可以獲得較低的交叉極化電平和較高的隔離度.對于兩個正交端口均采用縫隙耦合的設(shè)計，縫隙布局對隔離度與交叉極化均有較大影響［68］：T形縫隙耦合的雙極化DRA的隔離度優(yōu)于L形布局的情形，可達35dB以上，但由于其饋電結(jié)構(gòu)的不對稱，交叉極化電平較差.我們對雙極化分別采用H形和U形縫隙耦合，實現(xiàn)了46.8dB的隔離度，而兩種極化的方向圖交叉極化電平分別低于-21.4dB和-18.1dB［69］.由于饋電結(jié)構(gòu)不對稱性對交叉極化影響顯著，兩個正交端口均采用對稱的饋電結(jié)構(gòu)為好.例如，如圖6（d）所示，此時較高的隔離度和較低的交叉極化可以兼得.但是，該結(jié)構(gòu)中的共面波導(dǎo)和縫隙距離太近，最佳設(shè)計實現(xiàn)難度較高.

圖6 雙極化DRA饋電方式示意圖

表3 雙極化DRA饋電方式

如采用差分信號對雙極化各端口進行平衡饋電，可獲得高性能的雙極化設(shè)計［11］.差分信號可使同向的交叉極化輻射相互抵消，交叉極化電平相應(yīng)降低；較低的交叉極化電平又能減小端口間的耦合強度，從而提高了端口隔離度.當DRA采用平衡探針饋電時，可實現(xiàn)優(yōu)于40dB的隔離度和-30dB的交叉極化電平［70］；我們課題組曾采用平衡縫隙激勵，已獲得優(yōu)于45dB的隔離度和-34dB的交叉極化電平［71］.

4 高階模／高增益介質(zhì)諧振器天線

理論上，DRA可以工作于很多模式.然而，之前大部分工作都集中在對基模特性的研究上；近期，高階模特性被用在不同領(lǐng)域的DRA設(shè)計中.高階模的應(yīng)用主要集中在寬帶、雙頻和高增益DRA設(shè)計等方面，其發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)于表4.

表4 高階模／高增益DRA

由表4可見，DRA的高階模與基模同時被激勵時既可用作寬帶天線［22-23，72］，亦可用作雙頻天線［72-75］.研究表明［72］，電激勵的雙頻矩形DRA比磁激勵DRA更易實現(xiàn)模式合并而實現(xiàn)寬帶特性，高頻段和低頻段的頻率比一般要小于3.與混合輻射結(jié)構(gòu)的寬帶DRA設(shè)計相似，借助諧振的饋電結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)多頻設(shè)計.λ／4（λ為介質(zhì)中波長）單極子激勵的矩形DRA可覆蓋無線通信的800MHz、2.4 GHz和3.5GHz三個頻段［76］.這類多頻天線已廣泛應(yīng)用于各種無線系統(tǒng)中.

工作于高階模狀態(tài)的DRA等效電尺寸變大，根據(jù)DRA高階模式傳播特性，有些邊射的高階模被激勵后可提高天線的增益［77］.微帶貼片激勵的高階模DRA（微帶貼片輻射模，介質(zhì)諧振器起加載作用）［78］與圓極化DRA［79］的實測增益分別達11 dBi和9dBi；縫隙耦合的X波段矩形DRA其不同的高階模可實現(xiàn)8.2～13.7dBi的增益［80］.這類高增益DRA的設(shè)計重點是如何激勵起具有邊射方向圖的高階模.

此外，高增益DRA的設(shè)計方法還有很多，例如，采用寄生結(jié)構(gòu)［81］、層疊結(jié)構(gòu)［82］、背腔結(jié)構(gòu)［83］、電磁帶隙（Electromagnetic Bandgap，EBG）地面結(jié)構(gòu)［84］、漏波輻射［85］的DRA以及特種晶體DRA［86］均具有高增益特性.這些結(jié)構(gòu)往往需要較大的接地面，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大.可以說，在增益要求不是特別高的情形下，采用高階模是高增益DRA一種最簡單的設(shè)計方法.

5 毫米波介質(zhì)諧振器天線

毫米波天線具有“天然小型化”的優(yōu)點，相同天線（物理）口徑的情形下增益更高，絕對帶寬更寬，已廣泛應(yīng)用于便攜通信、衛(wèi)星通信、防撞雷達、生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域.然而，毫米波波段的歐姆損耗和介質(zhì)損耗、大氣衰減和加工公差都會對金屬天線的性能產(chǎn)生重要影響.而DRA除饋線以外沒有導(dǎo)體損耗而具有較高的輻射效率，對加工公差沒有微帶天線那么敏感［7］.研究表明，增益相當?shù)暮撩撞ㄌ炀€，DRA的輻射效率和帶寬均優(yōu)于微帶天線［87］；另外，DRA介電常數(shù)的可選擇性以及高階模工作狀態(tài)均為進一步減小對加工公差的敏感度提供了理論依據(jù)［88］.所以，近年來DRA在毫米波領(lǐng)域備受青睞.毫米波DRA的研究熱點集中在提高輻射效率和加工工藝兩方面，即高增益／高效率DRA和集成DRA.毫米波DRA的主要應(yīng)用范圍是35～100 GHz，采用何種饋電形式才能將能量高效地耦合到介質(zhì)諧振器中成為一大挑戰(zhàn).采用基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）饋電是設(shè)計高效率毫米波DRA的有效手段之一，SIW激勵的矩形DRA的輻射效率可達95%［89］，而半模SIW激勵的圓柱形DRA的輻射效率也達到了80%～92%［90］.

毫米波集成DRA的設(shè)計一般有三類：封裝系統(tǒng)（System in Package，SIP）DRA［91-92］、片上系統(tǒng)（System on Chip，SOP）DRA［93，94］和 單 片（Monolithic Integration，MI）DRA［95］.SIP DRA的設(shè)計理念是在電子系統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)上集成DRA，加工工藝可采用低溫共燒陶瓷技術(shù).與SIP DRA不同的是，SOP DRA集成在電子系統(tǒng)中的某個芯片上，可以方便地結(jié)合芯片的加工技術(shù)，例如互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技術(shù)［94］.Ohlsson和Bryllert等［95］將磷化銦微波單片集成電路加工技術(shù)和毫米波DRA設(shè)計結(jié)合在一起，制成了單片DRA，實現(xiàn)了6 dBi增益.隨著加工技術(shù)的進步，毫米波集成DRA必將成為毫米波天線的發(fā)展趨勢.

6 介質(zhì)諧振器天線陣

單個介質(zhì)諧振器天線單元增益較低，而陣列是提高天線方向性的常用手段，文獻［96］設(shè)計了一副四元圓柱形介質(zhì)諧振器天線陣，獲得11dBi的增益.自1990年代末以來，在介質(zhì)諧振器天線陣方面已開展了不少研究，包括線陣和面陣，兩款面陣天線如圖7所示［97-98］.如何保證介質(zhì)諧振器位置的精度和穩(wěn)定性，尤其對大型陣列，是介質(zhì)諧振器天線陣所面臨的巨大挑戰(zhàn).所以，工藝方面的研究在介質(zhì)諧振器天線陣設(shè)計中尤顯重要.文獻［98］除了對一款介質(zhì)諧振器天線陣的性能進行研究以外，還對單元安裝的工藝問題作了介紹.

圖7 兩款介質(zhì)諧振器天線陣

7 結(jié) 論

本文首先簡介了介質(zhì)諧振器天線研究的歷史概況、特點與分析方法，然后綜述了近三十年來DRA技術(shù)的重要進展，歸納了寬帶／超寬帶、圓／雙極化、高階模／高增益、毫米波DRA及DRA陣等方面的技術(shù)進展.此外，可重構(gòu)介質(zhì)諧振器天線技術(shù)在波束控制、頻率可調(diào)及極化捷變等方面也得到了發(fā)展，請參見文獻［99-101］等.隨著無線通信技術(shù)的進展，DRA正在向?qū)掝l帶、多極化、高增益和智能化方向不斷發(fā)展.

［1］KAJFEZ D，GUILLON P.Dielectric Resonators［M］.Norwood：Artech House，1986.

［2］BIRAND M T，GELSTHORPE R V.Experimental millimetric array using dielectric radiators fed by means of dielectric waveguide［J］.Electron Lett，1981，17（18）：633-635.

［3］LONG S A，MCALLISTER M W，SHEN L C.The resonant cylindrical dielectric cavity antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1983，3（31）：406-412.

［4］LUK K M，LEUNG K W.Dielectric Resonator Antennas［M］.Baldock：Research Studies Press，2003.

［5］PETOSA A.Dielectric Resonator Antenna Handbook［M］.Norwood：Artech House，2007.

［6］MONGIA R K，BHARTIA P.Dielectric Resonator Antennas—a review and general design relations for resonant frequency and bandwidth［J］.Int J Microw Millimet Wave Comput Aided Eng，1994，4（3）：230-247.

［7］PETOSA A，ITTIPIBOON A，ANTAR Y M M，et al.Recent advances in dielectric resonator antenna technology［J］.IEEE Antennas Propag Mag，1998，3（40）：35-48.

［8］PETOSA A，ITTIPIBOON A.Dielectric resonator antennas—a historical review and the current state of the art［J］.IEEE Antennas Propag Mag，2010，52（5）：91-116.

［9］LEUNG K W，LIM E H，F(xiàn)ANG X S，et al.Dielectric resonator antennas：from the basic to the aesthetic［J］.Proc IEEE，2012，100（7）：2181-2193.

［10］HUANG W，KISHK A A.Compact wideband multilayer cylindrical dielectric resonator antennas［J］.IET Microw Antennas Propag，2007，5（1）：998-1005.

［11］鐘順時.天線理論與技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［12］LEUNG K W，LUK K M，LAI K Y A，et al.Theory and experiment of an aperture-coupled hemispherical dielectric resonator antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1995，43（11）：1192-1198.

［13］OKAYA A，BARASH L F.The dielectric microwave resonator［J］.Proc IRE，1962，50（10）：2081-2092.

［14］CHANG C，ITOH T.Resonant characteristics of dielectric resonators for millimeter wave integrated circuits［J］.Arch Elektron Ubertrag Tech，1979，33：141-144.

［15］KISHK A A，ZUNOUBI M R，KAJIFEZ D.A numerical study of a dielectric disk antenna above grounded dielectric substrate［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1993，41（6）：813-821.

［16］SHENG X Q，LEUNG K W，YUNG E K N.Analysis of waveguide-fed dielectric resonator antenna using a hybrid finite element method／moment method［J］.IEE Proc Microw Antennas Propag，2004，151（9）：91-95.

［17］SHUM S M，LUK K M.FDTD analysis of probe-fed cylindrical dielectric resonator antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1998，46（3）：325-333.

［18］MCALLISTER M W，LONG S A.Resonant hemispherical dielectric antenna［J］.Electron Lett，1984，20（16）：657-659.

［19］GUO Y X，RUAN Y F，SHI X Q.Wideband stacked double annular-ring dielectric resonator antenna at the endfire mode operation［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2005，53（10）：3394-3397.

［20］CHAIR R，KISHK A A，LEE K F.Low profile wideband embedded dielectric resonator［J］.IET Microw Antennas Propag，2007，1（2）：294-298.

［21］CHAIR R，KISHK A A，LEE K F.Wideband simple cylindrical dielectric resonator antennas［J］.IEEE Microw Wireless Compon Lett，2005，15（4）：241-243.

［22］LI B，LEUNG K W.Strip-fed rectangular dielectric resonator antenna with／without a parasitic patch［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2005，53（7）：2200-2207.

［23］DE YOUNG C S，LONG S A.Wideband cylindrical and rectangular dielectric resonator antennas［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2006，5：426-429.

［24］WALSH A G，DE YOUNG C S，LONG S A.An investigation of stacked and embedded cylindrical dielectric resonator antennas［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2006，51：30-133.

［25］CHAIR R，KISHK A A，LEE K F，et al.Wideband flipped staired pyramid dielectric resonator antennas［J］.Electron Lett，2004，40（10）：581-582.

［26］KISHK A A，YAN Y，GLISSON A W.Conical dielectric rresonator antennas for wideband applications［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2002，50（4）：469-474.

［27］MUKHERJEE B，PATEL P，MUKHERJEE J.A novel cup-shaped inverted hemispherical dielectric resonator antenna for wideband applications［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2013，12：1240-1243.

［28］ZHANG L N，ZHONG S S，LIANG X L.Wideband u-shaped dielectric resonator antenna fed by triangle patch［J］.Microwave Opt Technol Lett，2014，52（11）：2345-2348.

［29］MESSAOUDENE I，DENIDNI T A BENGHALIAA.Ultra-wideband DRA integrated with narrowband slot antenna［J］.Electron Lett，2014，50（3）：139-141.

［30］THAMAE L Z，WU Z.Broadband bowtie dielectric resonator antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2010，11（58）：3707-3710.

［31］GAO Y，F(xiàn)ENG Z H，ZHANG L.Compact asymmetrical T-shaped dielectric resonator antenna for broadband applications［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2012，60（3）：1611-1615.

［32］ESSELLE K P，BIRD T S.A hybrid-resonator antenna：experimental results［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2005，53（2）：870-871.

［33］BUERKLE A，SARABANDI K，MOSALLAEI H.Compact slot and dielectric resonator antenna with dual-resonance，broadband characteristics［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2005，53（3）：1020-1027.

［34］LAPIERRE M，ANTAR Y M M，ITTIPIBOON A，et al.Ultra wideband monopole／dielectric resonator antenna［J］.IEEE Microw Wireless Compon Lett，2005，15（1）：7-9.

［35］GUHA D，GUPTA B，ANTAR Y M M.New pawnshaped dielectric ring resonator loaded hybrid monopole antenna for improved ultrawide bandwidth［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2009，（8）：1178-1181.

［36］AL-AZZA A A N，HARACKIEWICZ F J.Modified ultra wideband hybrid dielectric resonator antenna［C］／／IEEE Antennas Propag Soc Int Symp.Memphis，2014：1980-1982.

［37］鐘順時，梁仙靈，延曉榮.超寬帶平面天線技術(shù)［J］.電波科學學報，2007，2（22）：308-315.ZHONG Shunshi，LIANG Xianling，YAN Xiaorong.UWB planar antenna technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，2（22）：308-315.（in Chinese）

［38］DENIDNI T A，WENG Z.Hybrid ultrawide band dielectric resonator antenna and band-notched designs［J］.IET Microw Antennas Propag，2011，5（4）：450-458.

［39］RYU K S，KISHK A A.UWB dielectric resonator antenna having consistent omnidirectional pattern and low cross-polarization characteristics［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2011，59（4）：1403-1408.

［40］RYU K S，KISHK A A.Ultrawideband dielectric resonator antenna with broadside patterns mounted on a vertical ground plane edge［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2010，58（4）：1047-1053.

［41］鐘順時.微帶天線理論與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1991.

［42］薛睿峰，鐘順時.微帶天線圓極化技術(shù)概述與進展［J］.電波科學學報，2002，17（4）：331-336.XUE Ruifeng，ZHONG Shunshi.Survey and progress in circular-polarization technology of microstrip antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2002，17（4）：331-336.（in Chinese）

［43］HANEISHI M，TAKAZAWA H.Broadband circularly polarised planar array composed of pair of dielectric resonator antennas［J］.Electron Lett，1985，21（10）：437-439.

［44］ZOU L，F(xiàn)UMEAUX C.A cross-shaped dielectric resonator antenna for multifunction and polarization diversity applications［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2011，10：742-745.

［45］KISHK A A.An elliptic dielectric resonator antenna designed for circular polarization with single feed［J］.Microw Opt Technol Lett，2003，37（6）：454-456.

［46］TAM M T K，MURCH R D.Circularly polarized circular sector dielectric resonator antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2000，48（1）：126-128.

［47］HAMSAKUTTY V，KUMAR A V P，YOHANNAN J，et al.Coaxial fed hexagonal dielectric resonator antenna for circular polarization［J］.Microwave Opt Technol Lett，2006，48（3）：581-582.

［48］TAM M T K，MURCH R D.Compact circular sector and annular sector dielectric resonator antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1999，47（5）：837-842.

［49］SIMEONI M，CICCHETTI R，YAROVOY A，et al.Plastic-based super shaped dielectric resonator antennas for wideband applications［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2011，59（12）：4820-4825.

［50］HUANG Y，WU J Y，WONG K L.Cross-slot-coupled microstrip antenna and dielectric resonator antenna for circular polarization［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1999，47（4）：605-609.

［51］LI L X，ZHONG S S，CHEN M H.Circularly polarized ceramics dielectric resonator antenna excited by Y-shaped microstrip［J］.Microwave Opt Technol Lett，2009，10（15）：2416-2418.

［52］李麗嫻，鐘順時，許賽卿，等.缺口圓環(huán)激勵的圓極化陶瓷介質(zhì)諧振器天線［J］.上海大學學報：自然科學版，2010，2（16）：111-114.LI Lixian，ZHONG Shunshi，XU Saiqing，et al.Circularly polarized ceramics dielectric resonator antenna excited by gapped annular slot［J］.Journal of Shang-hai University：Science Edition，2010，2（16）：111-114.（in Chinese）

［53］KHAMAS S K.Circularly polarized dielectric resonator antenna excited by a conformal wire［J］.IEEE Antennas and Wireless Propag Lett，2008，7：240-242.

［54］LI B，LEUNG K W.Strip-fed rectangular dielectric resonator antennas with／without a parasitic patch［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2005，53（7）：2200-2207.

［55］ZOU M，PAN J，NIE Z P，et al.A wideband circularly polarized rectangular dielectric resonator antenna excited by a lumped resistively loaded monofilar-spiral-slot［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2013，12：1646-1649.

［56］PAN Y M，LEUNG K W.Wideband circularly polarized trapezoidal dielectric resonator antenna［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2010，9：588-591.

［57］KHALILY M，RAHIM M K A，KISHK A A.Planar wideband circularly polarized antenna design with rectangular ring dielectric resonator and parasitic printed loops［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2012，11：905-908.

［58］MONGIA R K，ITTIPIBOON A，CUHACI M，et al.Circularly polarized dielectric resonator antenna［J］.Electron Lett，1994，30（17）：1361-362.

［59］LI B，HAO C X，SHENG X Q.A dual-mode quadrature-fed wideband circularly polarized dielectric resonator antenna［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2009，8：1036-1038.

［60］HAN R C，ZHONG S S，LIU J.Design of broadband circularly polarized dielectric resonator antenna using improved feed network［J］.Microwave Opt Technol Lett，2014，56（9）：2191-2195.

［61］HAN R C，ZHONG S S，LIU J.Broadband circularly polarised dielectric resonator antenna fed by wideband switched line coupler［J］.Electron Lett，2014，50（10）：725-726.

［62］KHOO K W，GUO Y X，ONG L C.Wideband circularly polarized resonator antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2007，55（7）：1929-1932.

［63］MASSIE G，CAILLET M，CLENET M，et al.A new wideband circularly polarized hybrid dielectric resonator antenna［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2010，9：347-350.

［64］PETOSA A，ITTIPIBOON A，CUHACI M.An array of circular-polarized cross dielectric resonator antenna［J］.Electron Lett，1996，32（16）：1742-1743.

［65］HANEISHI M，WU B.Array antenna composed of ccircularly polarized dielectric resonator antennas［C］／／IEEE Antennas Propag Soc Int Symp.Orlando，1999，1：252-255.

［66］YANG S L，CHAIR R，KISHK A A，et al.Study on sequential feeding networks for subarrays of circularly polarized elliptical dielectric resonator antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2007，55（2）：321-333.

［67］CHAIR R，KISHK A A，LEE K F.Comparative study on different feeding techniques for dual polarized dielectric resonator antennas［C］／／IEEE Antennas Propag Soc Int Symp.Albuquerque，2006：2495-2498.

［68］GUO Y X，LUK K M.Dual polarized dielectric resonator antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2003，51（5）：1120-1123.

［69］ZHONG S S，KONG L B，TANG X R.Dual-polarized dielectric resonator antenna with very high isolation and lower cross-polarization［C］／／IEEE Antennas Propag Soc Int Symp.Orlando，2013：413.

［70］CHAIR R，KISHK A A，LEE K F.Hook-and 3-D J-shaped probe excited dielectric resonator antenna for dual polarization applications［J］.IEE Proc Microw Antennas Propag，2006，153（3）：277-281.

［71］TANG X R，ZHONG S S，KUANG L B，et al.Dual-polarized dielectric resonator antenna with high isolation and low cross-polarization［J］.Electron Lett，2009，45（14）：719-720.

［72］FANG X S，LEUNG K W.Designs of single-／dual-／wide-band rectangular dielectric resonator antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2011，59（6）：2409-2414.

［73］FANG X S，CHOW C K，LEUNG K W，et al.New single-／dual-mode design formulas of the rectangular dielectric resonator antenna using covariance matrix adaptation evolutionary strategy［J］.IEEE Antennas Wireless Propag Lett，2011，10：734-737.

［74］FANG X S，LEUNG K W.Linear-／circular-polarization designs of dual-／wide-band cylindrical dielectric resonator antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2012，60（6）：2662-2671.

［75］LEUNG K W，F(xiàn)ANG X S，PAN Y M，et al.Dualfunction radiating glass for antennas and light coverspart II：dual-band glass dielectric resonator antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2013，61（2）：587-597.

［76］HUITEMA L，KOUBEISSI M，MOUHAMADOU M，et al.Compact and multiband dielectric resonator antenna with pattern diversity for multi-standard mobile handheld devices［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2011，59（11）：4201-4208.

［77］PAN Y，LEUNG K W，LUK K M.Design of the millimeter-wave rectangular dielectric resonator antenna using a higher-order mode［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2011，59（8）：2780-2788.

［78］PERRON A，DENIDNI T A，SEBAK A.High-gain hybrid dielectric resonator antenna for millimeterwave applications：design and implementation［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2009，57（10）：2882-2892.

［79］PERRON A，DENIDNI T A，SEBAK A.Circularly polarized microstrip／elliptical dielectric ring resonator antenna for millimeter-wave applications［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2010，9：783-786.

［80］PETOSA A，THIRAKOUNE S.Rectangular dielectric resonator antennas with enhanced gain［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2011，59（4）：1385-1389.

［81］NIKKHAH M R，RASHED-MOHASSEL J，KISHK A A.High-gain aperture coupled rectangular dielectric resonator antenna array using parasitic elements［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2013，61（7）：3905-3908.

［82］LUK K M，LEUNG K W，CHOW K W.Bandwidth and gain enhancement of a dielectric resonator antenna with the use of a stacking element［J］.Microwave Opt Technol Lett，1997，14（4）：215-217.

［83］NASIMUDDIN，ESSELLE K.Antennas with dielectric resonators and surface mounted short horns for high gain and large bandwidth［J］.IET Microw Antennas Propag，2007，1（3）：723-729.

［84］AL-HASAN M J，DENIDNI T A，SEBAK A.Millimeter-wave EBG-based aperture-coupled dielectric resonator antenna［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2013，61（8）：4354-4357.

［85］DENIDNI T A COULIBALY Y，BOUTAYEB H.Hybrid dielectric resonator antenna with circular mushroom-like structure for gain improvement［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2009，57（4）：1043-1049.

［86］YARGA S，SERTEL K，VOLAKIS J L.Degenerate band edge crystals for directive antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2008，56（1）：119-126.

［87］LAI Q，ALMPANIS G，F(xiàn)UMEAUX C，et al.Comparison of the radiation efficiency for the dielectric resonator antenna and the microstrip antenna at Ka band［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2008，56（11）：3589-3592.

［88］ANTAR Y M M.Antennas for wireless communications：recent advances using dielectric resonators［J］.IET Circuits Devices Syst，2008，2（1）：133-138.

［89］WAHAB W M A，BUSUIOC D，SAFAVI-NAEINI S.Low cost planar waveguide technology-based dielectric resonator antenna for millimeter-wave applications：analysis，design，and fabrication［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2010，58（8）：2499-2507.

［90］LAI Q，F(xiàn)UMEAUX C，HONG W，et al.60GHz aperture-coupled dielectric resonator antennas fed by a half-mode substrate integrated waveguide［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2010，58（6）：1856-1864.

［91］ABDEL-WAHAB W M，BUSUIOC D，SAFAVINAEINI S.Millimeter-wave high radiation efficiency planar waveguide series-fed dielectric resonator antenna（DRA）array：analysis，design，and measurements［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2011，59（8）：2834-3242.

［92］AMADJIKPéA L，CHOUDHURY D，PATTERSON C E，et al.Integrated 60-GHz antenna on multilayer organic package with broadside and end-fire radiation［J］.IEEE Trans Microw Theory Techn，2013，61（1）：303-315.

［93］NEZHAD-AHMADI M R，F(xiàn)AKHARZADEH M，BIGLARBEGIAN B，et al.High-efficiency on-chip dielectric resonator antenna for MM-wave transceivers［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2010，58（10）：3388-3392.

［94］HOU D，XIONG Y Z，GOH W L，et al.130-GHz on-chip meander slot antennas with stacked dielectric resonators in standard CMOS technology［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2012，60（9）：4102-4109.

［95］OHLSSON L，BRYLLERT T，GUSTAFSON C，et al.Slot-coupled millimeter-wave dielectric resonator antenna for high-efficiency monolithic integration［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2013，61（4）：1599-1607.

［96］張麗娜，鐘順時，許賽卿，等.微帶饋電的圓柱形介質(zhì)諧振器天線陣［J］.微波學報，2008，3（24）：25-27.ZHANG Lina，ZHONG Shunshi，XU Saiqing，et al.Microstrip-fed cylindrical dielectric resonator antenna array［J］.Journal of Microwaves，2008，3（24）：25-27.（in Chinese）

［97］ZHANG Y Z，KISHK A A.Analysis of dielectric re-sonator antenna arrays with supporting perforated rods［C］／／IET The Second European Conference on Antennas and Propagation.Edinburgh，Nov 2007：1-5.

［98］BUERKLE A，BRAKORA K F，SARABANDI K.Fabrication of a DRA array using ceramic stereolithography［J］.IEEE Antennas and Wireless Propag Lett，2006（5）：479-482.

［99］DROSSOS G，WU Z，DAVIS L E.Switchable cylindrical dielectric resonator antenna［J］.Electronics Letters，1996，10（32）：862-864.

［100］KINGSLEY S P，KEEFE S G O.Steerable-beam Multiple Feed Dielectric Resonator Antenna：US 6，452，65B1［P］.2002.

［101］PETOSA A，THIRAKOUNE S.Frequency tunable rectangular dielectric resonator antenna［C］／／IEEE Antennas Propag Soc Int Symp.Charleston，June 2009：1-4.