一種圓極化毫米波介質諧振器天線陣列*

郭瑾昭，趙建平，趙 敏，吳思雨，徐 娟

（曲阜師范大學，山東 曲阜 273165）

0 引 言

隨著無線通信技術的發(fā)展，毫米波由于其具有寬帶寬、窄波束以及穿透強等特點，在通信、雷達以及醫(yī)療等各個領域得到了廣泛應用。而在毫米波通信中，必不可少的毫米波天線得到了人們的高度關注。常用的毫米波天線有介質諧振器天線、微帶天線以及喇叭天線等。

介質諧振器天線（Dielectric Resonator Antenna，DRA）具有尺寸小、重量輕、成本低、輻射效率高以及饋電容易等特點[1]。介質諧振器一般用高介電常數的材料制成。在毫米波段，金屬天線的導體損耗大大降低了天線的輻射效率，而DRA不存在導體和表面波損耗，自身的介質損耗小，具有較高的輻射效率，因此介質諧振器天線在毫米波段得到了廣泛應用[2]。研究發(fā)現，單個介質諧振器單元的增益較小，因此在合理排列的情況下，多個介質諧振天線單元可以組成陣列，以獲得定向的輻射方向圖和更高的增益[3]。

為了建立良好的星地通信鏈路，大多數衛(wèi)星通信和導航定位系統(tǒng)都采用圓極化形式。介質諧振天線通過產生極化方向正交、幅度相等以及相位差90°的2個線極化波[4]實現圓極化。現階段，圓極化已成為介質諧振器研究領域的熱點問題。

本文提出了一種微帶饋電的4單元圓極化介質諧振器天線陣列，設計了一種非均勻的微帶饋線網絡，通過非均勻的激勵控制天線的輻射旁瓣，以獲得更高的增益和方向性。在高介電常數的情況下，通過在圓柱形介質諧振器中心挖正交矩形槽的方式實現天線的圓極化。

1 圓柱型介質諧振器原理

假設圓柱形介質諧振器表面為理想磁壁，則沿z軸方向的TE波和TM波的方程表示為[5]：

其中Jn是第一類貝塞爾函數，有：

式中a為圓柱形介質諧振器的半徑，h為介質諧振器的高度。

天線在實際應用中通常工作于基模TM110模，基模的諧振頻率最低，諧振頻率為：

基模的波函數為：

2 天線陣列設計與結果

介質諧振器天線陣列模型如圖1所示，諧振腔選用介電常數εr1=37的某種材料，其半徑a=0.178 mm,高h1=0.143 mm。介質基板采用介電常數εr2=2.2的Rogers 5880，天線的整體尺寸為1.934 mm×2.917 mm×0.041 9 mm。通過在諧振器中心挖兩個相互正交的矩形槽，實現天線的圓極化性能[6-8]。為減小天線輻射的旁瓣，采用非均勻分布的開路微帶饋線網絡，微帶線各支路的能量分布取決于各支路的阻抗[9]。微帶饋線在端口處和開槽處阻抗為50 Ω（W1），λ/4阻抗轉換器的阻抗為35 Ω（W2）；W3段的阻抗為86 Ω，用于實現非均勻的激勵；為實現各段微帶線之間的匹配，W4段阻抗設置為66 Ω。使用同軸探針對微帶線端口進行饋電。為減小各單元間的互耦，單元間距采用λ/2。

圖1 介質諧振器天線陣列模型

利用電磁仿真軟件HFSS對天線參數進行優(yōu)化處理，得到一組最優(yōu)的天線參數如表1所示。

表1 天線參數

介質諧振器天線陣列的回波損耗如圖2所示。從圖2可以看出，回波損耗S11≤-10 dB的頻率范圍為147.14～153.82 GHz，阻抗帶寬為6.68 GHz，相對帶寬為4.45%。圓極化天線陣列的軸比曲線如圖3所示，軸比小于3 dB的頻率范圍為147.80～152.20 GHz，軸比帶寬為4.4 GHz，且最小軸比能夠達到0.47 dB。

圖2 天線陣列回波損耗曲線

圖4和圖5分別給出了介質諧振器天線陣列的2D和3D輻射方向圖，可以看出天線的增益約為11.379 dB且旁瓣較小，能夠實現較高的增益和較好的方向性。

圖3 天線陣列軸比曲線

圖4 天線陣列的2D方向圖

圖5 天線陣列的3D方向圖

3 結 語

本文設計了一種工作在毫米波段的圓極化介質諧振器天線陣列，天線的工作頻率較高，因此天線的整體尺寸較小。通過對介質諧振器進行挖槽的方式實現了圓極化性能，并通過設計非均勻饋電網絡達到降低天線輻射旁瓣的目的。仿真結果表明，S11≤-10 dB的相對帶寬為4.45%，圓極化的軸比帶寬為4.4 GHz，最小軸比可達到0.47 dB。天線陣列實現了11.379 dB的高增益輻射，可應用于未來的毫米波通信系統(tǒng)。