介質(zhì)諧振器與錐形反射器組合寬帶高增益天線的設(shè)計(jì)

張嘉文 ,于 兵

(1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044)

隨著微波器件不斷發(fā)展,對于天線小型化、寬頻帶、低損耗等性能提出了更高的要求[1-3]。微帶天線由于在高頻段金屬歐姆損耗高和天線幾何尺寸較大的問題,其發(fā)展和應(yīng)用隨著工作頻率升高而愈加困難[4-5]。介質(zhì)諧振器天線由于其輻射單元不存在金屬損耗,天線輻射效率較高(高于95%),受到了廣泛關(guān)注和研究[6-8]。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)傳輸速率需求進(jìn)一步提高,要求部署工作在高頻段的天線進(jìn)行通信。隨著天線工作頻率升高,現(xiàn)階段研究的各種金屬天線由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)體電阻增加,使得損耗功率增加,用于通信信號的天線功率急劇降低,同時(shí)使得整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生了更多的熱損耗,增加了系統(tǒng)散熱的難度。因此傳統(tǒng)金屬天線很難再滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)需求。

同時(shí)現(xiàn)代通信系統(tǒng)需要天線可以在較寬的頻率范圍進(jìn)行工作,以滿足眾多無線通信頻段。國內(nèi)外的研究人員對DRA 擴(kuò)展帶寬的方法進(jìn)行了廣泛研究。文獻(xiàn)[9-15]分別采用了在輻射單元介質(zhì)諧振器(DR)引入空氣縫隙、天線陣列、使用分型幾何結(jié)構(gòu)等方法來增加DRA 帶寬,但對DR 進(jìn)行切割引入空氣縫隙后會(huì)導(dǎo)致天線增益急劇降低和輻射方向圖性能下降,而使用天線陣列會(huì)增加加工難度,同時(shí)不利于小型化。上述文獻(xiàn)方法雖都在一定程度上擴(kuò)展了DRA 天線帶寬,但是存在輻射性能降低、加工困難以及難以小型化等問題;傳統(tǒng)的DRA 增益一般在4～7 dB,上述文獻(xiàn)為了提高DRA 增益而采取的方法,大多會(huì)降低天線帶寬和輻射性能。如何保證DRA 輻射性能良好的同時(shí),進(jìn)一步提升天線帶寬,仍然需要深入研究。

本文針對現(xiàn)階段DRA 存在的問題進(jìn)行了大量的研究試驗(yàn),提出了采用階梯狀的DR 進(jìn)行堆疊的方式擴(kuò)展DRA 帶寬。通過十字交叉DR 堆疊的方式將DRA的增益提高到了9 dB,通過增加金屬錐形反射器可進(jìn)一步將天線增益增加到15.3 dB。所提出的方案在保證DRA 輻射性能的同時(shí),降低了DRA 加工難度,便于天線小型化,保證天線良好的輻射性能,并進(jìn)一步提高了天線增益。

1 天線的設(shè)計(jì)

1.1 寬帶DRA 的設(shè)計(jì)

介質(zhì)諧振器天線是一種諧振式天線,由低損耗微波介質(zhì)材料構(gòu)成,它的諧振頻率由諧振器尺寸、形狀和相對介電常數(shù)所決定。矩形DR 諧振頻率主要由其長度Ld、寬度Wd和高度Hd等尺寸決定[16-18]。

式中:c為真空中的光速;εr為DR 的介電常數(shù)。

通過公式(1)～(3)可以計(jì)算出工作于TEmnp模式下矩形DR 諧振頻率對應(yīng)Ld、Wd和Hd的長度。但傳統(tǒng)矩形DR 相對帶寬只有15%左右,單個(gè)矩形DR 只能工作在有限的頻率范圍,由單個(gè)DR 形成的窄帶DRA無法滿足現(xiàn)代通信寬頻帶需求。為了擴(kuò)展傳統(tǒng)矩形DR帶寬,提出了將多個(gè)寬度(W)和高度(H)相同、長度(Li,i=1,2,3,…)不等的矩形DR 進(jìn)行立體堆疊。設(shè)計(jì)采用寬度相同的DR,這樣可以使得同軸探針能直立耦合饋電。這種設(shè)計(jì)使得每個(gè)介質(zhì)諧振器工作在TEmn0模式,通過改變介質(zhì)諧振器的Ld和堆疊DR 的高度,改變天線不同諧振模式,獲得不同諧振頻率。通過將多個(gè)不同長度的DR 進(jìn)行立體堆疊,使得單個(gè)DRA 獲得了多個(gè)諧振點(diǎn),擴(kuò)展了天線帶寬。如圖1 所示,在z軸方向堆疊不同尺寸的DR(εr=9.8)形成階梯狀DRA。3 個(gè)不同大小的DR 按DRi(i=1,2,3)由下往上立體堆疊形成階梯DR,其具體尺寸如表1所示。

圖1 多層DR 堆疊的DRA 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of stacked-DRs’ DRA

表1 3 個(gè)矩形DR 的尺寸Tab.1 The dimensions of three rectangular DRs

為了驗(yàn)證寬帶DRA 的設(shè)計(jì),通過HFSS 軟件對三組堆疊了不同DR 的DRA 進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出,單個(gè)DR1 形成DRA 帶寬(S11參數(shù)-10 dB 以下)為15.98～18.15 GHz,阻抗帶寬百分比為13.1%;DR1 和DR2 組成的DRA 工作帶寬為12.53～18.85 GHz,阻抗帶寬百分比為38.6%;DR1、DR2 和DR3 形成DRA 的帶寬為10.51～17.85 GHz,阻抗帶寬百分比為48.1%。結(jié)果表明,堆疊多層高度、寬度相等而長度不等的相同介電常數(shù)的DR可以使得重新組合的DR 形成不同的諧振模式TEmn0。堆疊DR 形成的DRA 可以工作在多個(gè)臨近諧振點(diǎn),多個(gè)諧振點(diǎn)形成了更寬的頻帶,提高了天線的阻抗帶寬。

圖2 多層DR 堆疊的DRA 的S11參數(shù)Fig.2 S11 parameters of multiple DR stacked DRA

多層DR 堆疊DRA 采用同軸探針饋電方式,探針緊靠DR 層(如圖1 所示)。這樣的設(shè)計(jì)可以很好地將能量耦合到DR 層中,此時(shí)同軸探針的長度會(huì)影響DR截止頻率。通過HFSS 軟件對不同的探針長度hp時(shí),DRA 對應(yīng)的S11參數(shù)進(jìn)行了仿真。圖3 為hp分別為1～6 mm 時(shí)所對應(yīng)的S11參數(shù)。從圖3 可以看出,當(dāng)hp在2～4 mm 時(shí),天線具有較好的寬帶特性,而超出這個(gè)范圍時(shí),天線只有窄帶特性。這是因?yàn)楫?dāng)hp小于2 mm時(shí),同軸探針高度小于DR1 和DR2 疊加高度,無法將能量耦合到DR1 和DR2 中,所以無法激勵(lì)形成多種TEmn0諧振模,天線只能呈現(xiàn)窄帶特性。而同軸探針hp大于4 mm 的時(shí)候,無法激勵(lì)DR 層所對應(yīng)的頻率(此時(shí)同軸探針高度增加,可激勵(lì)的頻率降低),所以無法將能量很好地耦合到DR 中,從圖3 中也可以看到堆疊DR1、DR2 和DR3 的DRA 在10～18 GHz 為截止?fàn)顟B(tài)(S11均高于-10 dB)。

圖3 不同hp值對應(yīng)的S11參數(shù)Fig.3 S11 parameters with different hp values

1.2 高增益DRA 的設(shè)計(jì)

單個(gè)DR 組成的DRA 主輻射方向沿z軸正方向。要使得三層堆疊的DRA 具有同樣主輻射方向,設(shè)計(jì)將三個(gè)DR 沿著矩形長邊的中線進(jìn)行堆疊,而且按照從小到大的順序進(jìn)行排列,使得天線的輻射可以更加集中到z軸的正向,從而達(dá)到了增加DRA 增益的目的。

圖4 為多層十字形DR 堆疊的DRA 結(jié)構(gòu)示意圖,將多層堆疊DR 的DRA 十字交叉組合。十字階梯狀DR 放置于相對介電常數(shù)為4.4 的FR-4 介質(zhì)板上,介質(zhì)板的長度L和寬度W為40 cm,厚度為0.8 mm。設(shè)計(jì)的DRA 通過同軸探針的方式進(jìn)行饋電,同軸探針緊貼著矩形DR 十字交叉的位置,從而使得能量可以很好地耦合進(jìn)入DR 內(nèi),FR-4 介質(zhì)板背面覆蓋有矩形的金屬地,通過對矩形地進(jìn)行切角處理,使得天線可以更好地進(jìn)行阻抗匹配。

圖4 多層十字形DR 堆疊的DRA 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structure of multi-layer cross stacked-DRs’ DRA

上述十字階梯狀DR,增加了天線的輻射單元(DR)面積,此時(shí)的DR 下小上大的倒臺階形狀,增加了天線的增益,使得DRA 既可以工作在較寬的頻帶,又保證了天線的輻射性能,同時(shí)增加了天線的增益。此時(shí)十字狀DR 形成的DRA 增益達(dá)到9 dB(傳統(tǒng)矩形DR 增益一般在4～7 dB)。

1.3 高增益DRA 與錐形反射器的組合設(shè)計(jì)

本文提出了一種將錐形反射器結(jié)合上述DRA 的方式來增加天線增益。錐形反射器可以很好地將DR 的輻射能量進(jìn)一步聚集在z軸的正向,從而提高DRA 增益,圖5 為增加錐形反射器的DRA 結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5 所示,在介質(zhì)基板上放置了一個(gè)下口徑長度為Wd,上口徑寬度為Ld,高度為Hd的具有一定厚度且中空的金屬錐形反射器。

圖5 增加錐形反射器的DRA 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structure of adding a conical reflector to the DRA

將錐形反射器和DRA 進(jìn)行組合后,錐形每個(gè)面與z軸形成的角度設(shè)為α(tanα=(Ld-Wd)/(2Hd)),α取值對天線增益的影響也是不同的。多層堆疊的矩形DR 與z軸形成的夾角設(shè)為β(tanβ=Li/(2hp)),當(dāng)α與β相同的時(shí)候,即tanα=tanβ時(shí),增加錐形反射器的DRA 增益達(dá)到了最大。結(jié)果表明,通過合理地設(shè)計(jì)錐形反射器的角度可以得到理想的錐形反射器和DRA 的匹配。

圖6 為十字狀DRA 有無金屬錐形反射器的增益對比圖。從圖6 可以看出,天線在無金屬錐形反射器的時(shí)候,天線增益不高于9 dB,在增加金屬錐形反射器后,天線增益/頻率曲線形狀未發(fā)生較大的改變,但增益進(jìn)一步提高,增益最高可以達(dá)到15 dB,天線具體參數(shù)見表2。

圖6 十字狀DRA 有無金屬錐形反射器的增益對比圖Fig.6 Cross-shaped DRA gain contrast with or without metal conical reflector

表2 天線的具體尺寸參數(shù)Tab.2 The dimensions of DRA mm

2 天線的測試和分析

天線實(shí)物圖如圖7 所示。為了驗(yàn)證所提出寬帶高增益DRA 的實(shí)測性能,使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363C 測量其S11參數(shù),結(jié)果如圖8 所示。從圖8 中可以看出,天線中心頻率為15.25 GHz,在工作頻率11.59～18.92 GHz 范圍內(nèi),天線阻抗帶寬百分比為48%。測量與仿真結(jié)果整體吻合良好,但在三個(gè)諧振點(diǎn)處存在一些誤差,主要是因?yàn)镈R 的材料為Al2O3陶瓷,雜質(zhì)含量不同的Al2O3陶瓷介電常數(shù)有一定的差異,同時(shí)在天線加工過程中也存在一些誤差。天線在實(shí)際測量中在17～19 GHz 產(chǎn)生了兩個(gè)諧振點(diǎn),這可能是因?yàn)镈R 的Al2O3含量不均勻?qū)е碌摹?/p>

圖7 天線實(shí)物圖Fig.7 The photo of the DRA

圖8 DRA 的S11參數(shù)仿真及測試對比Fig.8 The simulation and test S11 parameter of DRA

在微波暗室中對天線增益進(jìn)行了測試,圖9 為天線在10～20 GHz 所對應(yīng)增益曲線圖,從圖中可以看到,天線在中心頻率處的最高增益為15.3 dB,在工作頻率(11.59～18.92 GHz)范圍內(nèi)天線的增益不低于10 dB,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)DRA 增益,天線在工作頻率范圍內(nèi)的輻射性能良好。天線的仿真和測試結(jié)果吻合,測試結(jié)果很好地驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

圖10 為天線在11.5,13.5,15.5,17.5 GHz 處E面和H 面天線增益曲線圖,從圖中可以看到天線具有較低旁瓣,天線輻射性能得到了很好的保證,同時(shí)圖10 的4 個(gè)頻點(diǎn)處E 面和H 面對應(yīng)的增益與圖9 中曲線上頻點(diǎn)對應(yīng)的增益相吻合,進(jìn)一步映證了圖9 的結(jié)果。

圖9 DRA 的仿真及測試增益對比Fig.9 The comparison of simulation and test gain of DRA

圖10 DRA 在11.5,13.5,15.5,17.5 GHz 處E 面和H 面增益曲線圖。左側(cè)為E 面,右側(cè)為H 面Fig.10 DRA gain curves of plane E and plane H at 11.5,13.5,15.5 and 17.5 GHz (E-plane on the left,H-plane on the right)

3 結(jié)論

本文首先提出通過堆疊矩形DR 的方法擴(kuò)展天線帶寬。然后,提出一種十字階梯狀的DRA 設(shè)計(jì)思路,兩組堆疊DR 采用了中心旋轉(zhuǎn)對稱的組合方式,既保證DRA 具有良好的輻射輻射性能,又增加DRA 輻射面積。最后,通過金屬錐形反射器和DRA 組合的方式,提升天線增益。通過實(shí)驗(yàn)測試,天線百分比帶寬為48.2%,天線增益達(dá)到15.3 dB,結(jié)果和仿真結(jié)果吻合度較高,驗(yàn)證了提出的設(shè)計(jì)方案。同時(shí),結(jié)合天線的方向圖可以看到天線的輻射性能在工作的各個(gè)頻點(diǎn)性能良好。上述方法較好地解決了現(xiàn)階段寬帶DRA難以保證輻射性能的問題。