可調介質諧振天線的研究進展

王青敏，張家萌，許建春，郝亞楠，畢 科

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可調介質諧振天線的研究進展

王青敏，張家萌，許建春，郝亞楠，畢 科

（北京郵電大學 理學院，北京 100876）

可調介質諧振天線是無線通信領域的研究熱點，本文對近年來可調介質諧振天線的研究熱點和研究現狀進行了介紹，并對可調介質諧振天線已有的研究方法進行了總結和分析，概述了加載寄生導電片、加載寄生槽（縫隙）、采用液體介質、增加空氣帶隙、使用特殊介質材料、使用開關（轉換）器件這幾種可調技術，最后分析了各種可調技術的優缺點。

可調性；介質諧振天線；綜述；諧振模式；輻射特性；無線通信

天線作為一種接收和發射無線信號的設備，是無線網絡或無線電子設備中的關鍵部件，其性能直接影響到整個無線通信系統的性能。隨著移動通信的飛速發展，現代無線通信系統對天線的要求越來越高。近年來，介質諧振天線（Dielectric Resonator Antenna，DRA）由于較好的輻射性能、較小的尺寸和較低的損耗等性能而受到了廣泛的關注[1]。

介質諧振天線的發展起源于1983年Long等對圓柱形介質諧振天線的研究。其后人們設計了矩形、半球形、圓環形等各種形狀的介質諧振天線，應用共面波導(Coplanar Waveguide，CPW)[2]、微帶線[3]、縫隙耦合[4]、同軸探針[5]等多樣的饋電形式來激勵介質諧振天線，使得介質諧振天線在輻射效率、帶寬、尺寸、與其他微波器件匹配等性能上得到很大的提升。

目前，研究者們所設計的介質諧振天線其尺寸雖然已經極大減小，但仍然無法滿足現代通信的需要，其主要原因是，一個通信設備往往需要多副天線來實現通信、導航等目的，多副天線組合的尺寸仍然非常大。同時由于設備內天線間的電磁兼容問題，使得設備在工作效率方面受到限制。

可調介質諧振天線能夠通過對頻率敏感的介質諧振天線進行調諧，在一定頻率范圍內調節輻射性能。在一些需要多副天線的通信設備中可以通過使用一個可調介質諧振天線來滿足需求，從而降低費用，實現良好的電磁兼容，提升天線的整體性能。介質諧振天線可調化的研究，可以為天線頻率調節提供技術指導。

為了對可調介質諧振天線設計方法有一個系統的了解，本文對可調介質諧振天線的設計思想進行了介紹，并重點對介質諧振天線的可調方法進行了分析總結。

1 可調介質諧振天線的設計思想

圖1給出了包含微帶線饋電結構和基板的基本介質諧振天線。

文獻[6]給出了介質基板上圓柱形介質諧振天線的工作頻率

式中：= 1, 2, 3；= 1, 2, 3；= 0, 1, 2；其他參數有天線的頻率f與諧振子半徑；高度。電磁參數和，TE(X)和TM()與諧振模式的指數、和等因素有關。

由此可知頻率可調介質諧振天線可以通過改變介質材料，改變介質諧振天線尺寸或者激發不同諧振模式來實現。

天線的可調范圍可以表示為

式中：high和low為工作頻率的上下邊界。

2 介質諧振天線的可調方法

2.1 加載寄生導電片

Li等[7]設計了一種同軸探針激發的圓柱或圓環形可調介質諧振天線。連續改變位于介質諧振天線頂部的寄生導電圓片的直徑，在保證天線的諧振頻率處于穩定狀態且介質諧振天線性能不變的情況下，頻率調節范圍最大可達到17%，如圖2所示。Chen等[8]進一步探究了介質諧振天線頂部放置的寄生導電圓片對天線諧振頻率、輸入阻抗和遠場輻射的影響。介質諧振天線的特性受邊界條件的影響[9]，當寄生導電圓片覆蓋介質諧振天線時，天線頂部的表面邊界條件發生改變，隨著導電圓片直徑的增加，這種改變越來越強烈，諧振頻率紅移。Ng等[10]利用易于同單片微波電路集成，同時避免探針電抗的縫隙耦合的饋電方式來激勵半球介質諧振天線。隨后在介質諧振天線表面添加多個矩形寄生導電貼片，在線偏振和圓偏振介質諧振天線中實現了工作頻率的調節[11]。值得注意的是，在圓偏振介質諧振天線的調節范圍內獲得了很好的軸比和阻抗匹配。

采用這種方法，選擇合適幾何結構和尺寸的寄生導電片，可以調節介質諧振天線的工作頻率、提升天線的輻射性能，同時彌補天線的制造容差。

2.2 加載寄生槽（縫隙）

Leung等[12]提出了一種適用于線偏振和圓偏振介質諧振天線的方法。改變與耦合縫隙同心的寄生槽的半徑來調節天線的諧振頻率。相比于通過改變饋電圓環的半徑來實現可調性，具有更大的可調范圍（線偏振天線–12%~+8%，圓偏振天線–3%~+4%），同時克服了改變饋電圓環帶來的阻抗不匹配現象[13]。將饋電縫隙和寄生槽的都改為矩形，相較于環狀寄生槽，提高了可調介質諧振天線設計的自由度[14]。

如圖3所示，Huang[15]設計了一種微帶線激勵的可調介質諧振天線，改變加載在基板上的窄槽長度，天線基板上的表面電流路徑彎曲，導致天線工作頻率的變化，調節范圍可以達到13%。另外，相比于沒有窄槽的介質諧振天線來說，由于嵌入的窄槽降低了介質諧振天線的品質因數，天線的阻抗帶寬增大[16-17]。

Huang等[18]改變寄生槽的位置，獲得了頻率可調的圓偏振介質諧振天線。這種方案僅通過改變寄生槽的長度，就可以很容易獲得右手和左手圓偏振介質諧振天線。

這種方法在介質諧振天線的制造階段通過調節寄生槽的尺寸，彌補了商用介質諧振器有限的尺寸和介電常數等因素的制約。

圖3 可調微帶饋電介質諧振天線

2.3 采用液體介質

Ting等[19]在1970年發現液體介質可以發生諧振。Kosta等[20]發現電導液體和一些生物液體可以在微波頻段作為天線使用。相較于固體介質諧振天線，液體介質諧振天線在形狀調控以及饋電探針和介質諧振器的耦合方面都得到了提升[21]。

Zhou等[22-23]設計了一個可調的小型液體介質諧振天線，使用在低頻處具有較高的相對介電常數和較低的損耗因子（相對介電常數大約為79.45，損耗正切約為0.008）的蒸餾水作為天線介質材料。隨著基板尺寸的增加，輻射阻抗和輻射電抗都減小了。因此，實驗選用較大基板尺寸的介質諧振天線來獲得較寬的匹配帶寬。結果說明，天線的諧振頻率隨著液體相對介電常數的增加而降低，這種性能為簡單測量液體介電常數提供了新方法。

Fayad等[24-25]報道了一種諧振頻率隨離子濃度變化的液體介質諧振天線。使用聚氯乙烯（PVC）管構建一個單極子天線，聚氯乙烯管內充入離子液體。因為天線的輻射效率可以表示為：，式中：L代表阻抗損耗；r代表著輻射阻抗。隨著水中鹽分的增加，天線的r減少，L保持常量，因此基本諧振頻率增加，但是回波損耗降低，天線的帶寬增強。

同時，PVC管的半徑，管內離子液體的高度等因素，也可以調節介質諧振天線的頻率和輻射。

與純水介質諧振天線相比，在較高頻率（>1 GHz）處，純水的極性水分子隨著電場振蕩而發生移動，導致了具有相位差值的損耗。增加鹽分降低了介電響應（實部和虛部）[26-27]，離子不影響天線的電導率，僅僅調節天線的介電性能，具有更高的實用性。

如圖4，Huff等[28]制造了一個可調分散膠體介質，使用聚碳酸酯管固定鈦酸鍶鋇膠體。通過改變膠體的高度來改變DRA的頻率和阻抗性能。

采用液體介質諧振天線來代替傳統的固體介質諧振天線，對天線工作頻率和輻射等性能的調節更加方便，但是額外配置的抽水泵增加了整個天線的尺寸。

圖4 可調膠體介質諧振天線

2.4 增加空氣帶隙

Apperley等[29]提出了一種新的利用空氣隙來實現頻率可調的介質諧振天線。在DRA和基板間填充通道，通過移動輔助金屬塊，來調節諧振頻率，頻率調節范圍可達24.7%。

文獻[23]也驗證了隨著水和基板之間的空氣帶隙的增加，整個介質諧振天線的有效介電常數降低，導致天線諧振頻率的增加。

Voloshyn等[30]設計了一種由波導激發的頻率可調的環狀介質諧振天線。改變垂直于介質諧振天線輻射電場線方向的諧振半環之間空氣帶隙的尺寸，介質諧振天線的頻率調節范圍可達30%，且不破壞整個天線的輻射效率和輻射方向，如圖5所示。

2.5 使用特殊介質材料

Neto等[31]設計了一種基于納米結構的鎳鐵氧體（NiFe2O4）的可調介質諧振天線，通過改變外加偏置磁場，天線的諧振頻率可調，并且這種介質諧振天線相比于傳統天線具有較低的尺寸，易于集成，缺點是較高的材料損耗和需要較大的直流偏置。

Wan等[32]研究了基于不同含量Fe2O3的Y3Fe5O12（YIG）鐵氧體的可調介質諧振天線，諧振頻率隨著在YIG鐵氧體中FeO含量的增加而改變。

Petosa[33]報道了一種磁可調的介質諧振天線，由鐵氧體材料制成的介質諧振天線，分別改變沿著和垂直于天線方向施加偏置磁場，相對于沒有施加偏置的情況，獲得了最大的8%的上偏移頻率（平行偏置）和8%的下偏移頻率（垂直偏置）。

本課題組對熱調節介質諧振天線做了一定的研究[34]。使用熱敏陶瓷CaTiO3作為介質諧振器。由于CaTiO3的介電常數隨著溫度的升高而降低，因此，介質諧振天線的頻率隨著溫度的升高而向高頻移動。

這種方法為可調介質諧振天線的商業化制造提供了方向。

2.6 使用開關（轉換）器件

PIN二極管是目前在頻率可調領域應用最廣泛的電控開關器件。有著低價、低損耗、小尺寸、穩定隔離、低寄生阻抗、快速轉換等優點。最重要的是，PIN二極管開關能夠使用較低的功率來控制大的射頻信號[35]。變容二極管可以通過改變偏置電流獲得連續的變化，是常用的電控器件，所以主要使用PIN二極管和變容二極管作為開關器件來制造電控可調介質諧振天線。

Petosa等[36]利用兩種不同形式的有源器件PIN二極管和變容二極管開關分別制造了電控頻率分立可調介質諧振天線和頻率可連續變化的介質諧振天線。Desjardins等[37]在此基礎上使用雙邊導壁降低了由單邊導壁引起的交叉極化輻射模式，且PIN二極管和變容二極管的DRA的可調范圍分別能達到91%和58%。

Danesh等[38-41]在電控可調介質諧振天線設計和在無線系統中的應用等方面進行了一系列的研究。使用兩個放置在反饋網絡上的PIN開關，天線可以在三個頻率間進行調節尤其是當兩個都處于開狀態時，天線的阻抗帶寬達到65%[38]。利用兩個二極管來連接三個不同的介質諧振天線，合適的開關組合狀態獲得了適用于無線城域網WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)和無線局域網絡WLAN (Wireless Local Area Networks) （2.4，2.5，3.5，5，5.2和5.8 GHz）的可調介質天線[39]。進一步使用三個PIN開關連接四個完全相同的介質諧振天線，得到頻率可以在1.60 GHz和2.71 GHz之間調節的介質諧振天線，可用于LTE（Long Term Evolution）通用移動通信技術的長期演進無線廣域網WWAN（Wireless Wide Area Network）和無線局域網絡WLAN (Wireless Local Area Networks)[40]。使用U型微帶線來饋電，通過在一個臂上加載PIN開關，使得天線能夠在4.12 GHz和8.85 GHz兩個頻段來調節，并且兩個頻段都具有寬帶阻抗匹配（49%，25%），有利于多功能天線的研究和設計，如圖6[41]。

Hao等[42]設計了一種加載電容器和變容器的頻率可調矩形介質諧振天線。可以通過加載元件和DRA和導電貼片的尺寸來調節頻率。尤其是對于變容器加載元件，可以通過調節變容器的偏置電流來動態地調節頻率。

表1對介質諧振天線的可調方法做了歸納，可調介質諧振天線設計的途徑可分為電子開關、結構改變、材料改變。

表1 介質諧振天線可調方法

Tab.1 Tunable methods of dielectric resonant antenna

3 結束語

可調介質諧振天線是無線通信領域的研究熱點，天線的性能直接影響著整個通信系統的性能。本文在現有文獻的基礎上，介紹了可調介質諧振天線的研究方法，概述了相關調制思想和技術，最后分析了各種可調技術的優缺點，為后續可調介質諧振天線的設計提供思路。通過近年來可調介質諧振天線的研究可以看出，可調介質諧振天線的主要發展趨勢為天線的小型化和復合化，因此可以預期具有多種可調功能的介質諧振天線在無線通信領域良好的應用前景。

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（編輯：陳渝生）

Progress in tunable dielectric resonator antennas

WANG Qingmin, ZHANG Jiameng, XU Jianchun, HAO Yanan, BI Ke

(School of Science, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Tunable dielectric resonator antenna (DRA) is one hot topic in the field of current wireless communication. In this paper, the development history and recent status of tunable DRA are introduced. The current research methods of tunable DRA are summarized and analyzed. Besides, the tunable techniques for loading parasitic conductors, loading parasitic slots, using liquid media, increasing the air band gap, using special dielectric materials, and using switch (switching) devices are introduced. Finally, the advantages and disadvantages of the tuning technology are analyzed.

tunable property; dielectric resonator antenna; review; resonant mode; radiation characteristics; wireless communication

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.003

TN826

A

1001-2028（2017）04-0015-06

2017-01-09

畢科

國家自然科學基金資助(No. 61575028；No.61574020；No. 51402163)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(No. 2015RC18)；信息光子學與光通信國家重點實驗室（北京郵電大學）基金資助

畢科（1983－），男，山東淄博人，副教授，主要從事天線研究，E-mail: bike@bupt.edu.cn；王青敏（1992－），女，河北邯鄲人，博士研究生，主要從事天線研究，E-mail: wqm@bupt.edu.cn。

網絡出版時間：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.003.html