基于雙模槽線諧振器的寬帶濾波介質諧振器天線

摘要：【目的】為滿足車聯網等無線通信系統對小型化、多功能介質諧振器天線（DRA）的應用需求。【方法】設計了一種基于微帶-雙模槽線諧振器饋電結構的寬帶濾波介質諧振器天線。在天線設計中，利用雙模槽線諧振器來代替微帶-槽線耦合饋電結構中的傳統槽線，形成一種新型微帶-雙模槽線諧振耦合饋電網絡；該饋電網絡中的雙模槽線諧振器可作為能量耦合結構，從而有效激勵DRA的基模（TE111）；同時，也可產生兩個槽線諧振模式參與天線諧振，拓寬天線帶寬。此外，通過在微帶饋線上引入馬刺線以及槽線諧振器自身諧振特性，可以在天線通帶兩側分別產生一個輻射零點，在增益曲線上呈現準橢圓濾波響應。【結果】為了進一步驗證天線設計性能，對天線進行了加工、測試，測試與仿真結果基本一致。該天線中心頻率為4.12 GHz，阻抗帶寬為53.40 %（3.02～5.22 GHz），帶內平坦增益為5.7 dBi。【結論】滿足5G和車聯網等無線通信系統的應用需求。

關鍵詞：介質諧振器天線；微帶-槽線諧振器；濾波；寬帶

中圖分類號：U285 文獻標志碼：A

本文引用格式：王傳云，江曉鋒，張永華，等. 基于雙模槽線諧振器的寬帶濾波介質諧振器天線[J]. 華東交通大學學報，2024，41（4）：73-79.

Wideband Filtering Dielectric Resonator Antenna Based

on Dual Mode Slotline Resonator

Wang Chuanyun1， Jiang Xiaofeng1， Zhang Yonghua2， Hu Weikang1， Fan Qilei1

（1. School of Information Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China;

2. BYD Co.， Ltd.， Shenzhen 518118， China）

Abstract： 【Objective】To meet the application requirements of miniaturized and multifunctional dielectric resonator antennas （DRA） in wireless communication systems， such as the Internet of Vehicles （IoV）. 【Method】A wideband filtering dielectric resonator antenna based on a microstrip-dual mode slotline resonator feeding structure is proposed. In the antenna design process， the traditional slotline of the microstrip-slotline coupled feeding structure was replaced by a dual mode slotline resonator， forming a novel microstrip-dual mode slotline resonator coupling feeding network. This dual mode slotline resonator served as an energy coupler in the feeding network， which effectively excited the TE111 resonant mode of the DRA; At the same time， two slotline resonant modes could also be generated to participate in antenna resonance， broadening the antenna bandwidth. Additionally， by introducing a spur line on the microstrip feedline and combining the intrinsic resonance characteristics of the slotline resonator， a radiation 1 can be produced on both sides of the antenna passband， showing a quasi-elliptical filter response on the gain curve. 【Result】To further verify the performance of the antenna design， a prototype FDRA was fabricated and measured， and the measurement and simulation results were generally consistent. The central frequency of the antenna is 4.12 GHz， the impedance bandwidth is 53.40 % （3.02～5.22 GHz）， and the in-band flat gain is 5.7 dBi. 【Conclusion】The antenna meets the application requirements of wireless communication systems， such as 5G and telematics.

Key words： dielectric resonator antenna; microstrip-slotline resonator; filtering; wideband

Citation format： WANG C Y， JIANG X F， ZHANG Y H， et al. Wideband filtering dielectric resonator antenna based on dual mode slotline resonator[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（4）： 73-79.

【研究意義】第五代移動通信技術（5th generation mobile communication technology，5G）在車聯網等無線通信系統應用的快速發展，對射頻器件小型化和多功能集成提出了更高的要求，濾波天線應運而生[1-3]。介質諧振器天線（dielectric resonator antenna，DRA）因其低損耗、多模輻射和設計自由度高等顯著優點[4-6]，成為了備受關注的研究焦點。

【研究現狀】目前，濾波DRA主要有兩種設計方法：綜合設計方法和融合設計方法。綜合設計方法是將介質諧振器（DR）作為濾波器的最后一級諧振器[7-10]。例如，LIU H W等[8]提出一種寬帶濾波DRA，三模諧振器作為矩形雙模DRA的饋電網絡，同時三模諧振器在通帶邊緣產生了3個輻射零點，提高了邊帶的選擇性。王傳云等[9]在雙頻DRA的饋電網絡中引入四模支路負載環形諧振器，實現了雙頻濾波響應。BALLAV S等[10]采用帶寬可調階梯阻抗諧振器作為DRA的饋電網絡，實現了具有準橢圓濾波響應的濾波DRA設計。然而，綜合設計方法不可避免地會增加插入損耗。融合設計方法主要通過引入寄生元件來實現，主要集中在天線設計上[11-14]。LIU N W等[12]通過在微帶饋線和側壁金屬帶之間創建交叉耦合結構，產生了2個輻射零點，實現了良好的帶通濾波響應。LIU Y T等[13]提出一種低剖面的全向DRA，在圓柱形DRA中引入3組短路針，產生了兩個輻射零點以及對模式的擾動，在不增加額外濾波電路的情況下實現了良好的寬帶、濾波響應。HU P F等[14]在DR內部加載導電環結構，形成的磁場與DRA內部的磁場相互抵消，獲得了良好的濾波效果。然而，融合設計方法設計復雜度高。近年來，微帶-槽線耦合饋電結構因其饋電方式的多樣性和設計自由度高而被廣泛用于設計濾波DRA[15-17]。為了充分利用微帶-槽線耦合饋電結構的優點，ZHAO C X等[17]設計了一種集耦合濾波功能于一體的微帶-槽線饋電網絡。

【創新特色】為滿足無線通信系統對多功能DRA的應用需求，本文基于融合設計理念，通過改進傳統綜合設計方法，提出一種基于微帶-雙模槽線諧振器耦合饋電網絡的寬帶濾波DRA設計方法。該天線充分利用了傳統微帶-槽線耦合饋電結構的優勢，利用雙模槽線諧振器代替傳統槽線，形成一種新型微帶-雙模槽線諧振耦合饋電網絡。該網絡既可作為耦合饋電結構，也可以參與天線諧振，從而實現天線的寬帶效果。同時，利用雙模諧振器的諧振特性以及在微帶饋線引入馬刺線，提高帶外選擇性。仿真和測試結果表明，該天線具有較寬的相對帶寬和5.7 dBi的最大增益。

【關鍵問題】所提出的設計方法不增加額外的電路尺寸，有利于天線設計的小型化、多功能集成，可滿足5G和車載Wi-Fi等無線通信需求。

1 天線設計

1.1 天線結構

基于微帶-雙模槽線諧振器耦合饋電網絡的寬帶濾波DRA，主要由介質基板、介質諧振器和微帶-槽線耦合饋電結構組成，見圖1。介質基板相對介電常數為?r1=4.4，損耗正切角為tanδ1=0.02，尺寸為g*g*h。介質諧振器相對介電常數為?r2=10，損耗正切角tanδ2=0.003，尺寸為a*b*d。DRA的主要參數見表1。?r為相對介電常數，tanδ為損耗正切角。

1.2 工作原理

為了闡明所設計的寬帶濾波DRA的工作原理，對其雙模槽線諧振器結構進行深入分析。如圖1（b）所示，由于該槽線諧振器關于AA′對稱，故可以采用奇偶模方法對其進行分析。圖2（a）和圖2（b）給出了奇偶模等效電路，從圖中可以看出：垂直槽線將對奇、偶模的諧振頻率均有影響，而水平耦合槽線只對奇模諧振頻率產生影響。如圖2（c）呈現了天線S11曲線圖，經分析：模式Ⅰ和Ⅲ分別對應槽線諧振器的偶模和奇模諧振模式，模式Ⅱ對應于DRA的TE111模式，具體分析見1.3節所述。S11為天線回波損耗。

1.3 參數分析

為了驗證雙模槽線尺寸變化對所提天線諧振模式的影響，分析槽線l11，l2變化與天線諧振模式的關系。圖3（a）顯示，隨著耦合槽線長度l11的增加，模式Ⅲ（槽線諧振器的奇模諧振模式）向低頻移動，而其他兩個模式基本保持不變。如圖3（b）所示，隨著加載槽線長度l2的增加，模式Ⅰ（槽線諧振器的偶模諧振模式）和模式Ⅲ（槽線諧振器的奇模諧振模式）都有規律地向低頻移動，而模式Ⅱ則基本保持不變。圖4為模式Ⅰ和模式Ⅲ地面電場分布圖，模式Ⅰ的能量主要聚集在加載槽線，而模式Ⅲ的能量主要聚集在耦合槽線以及加載槽線上，與上述分析吻合。因此，可以驗證：天線的模式Ⅰ和模式Ⅲ主要由槽線諧振器的偶模和奇模控制。

為了進一步驗證模式Ⅱ是DRA的TE111模式，文中分析了DR高度d變化對天線模式的影響。如圖5（a）所示，隨著DR高度d的增加，天線的3種模式頻率都發生了變化，并且都向低頻移動，模式Ⅱ的電場矢量分布如圖6所示，可以得出模式Ⅱ為DRA的主模TE111模，從而驗證了分析結果的正確性。此外，由于DR的長度a、寬度b對天線模式的影響與高度d基本一致，限于篇幅不再贅述。如圖5（b）所示，天線在增益曲線上有2個輻射零點fn1和fn2。根據1.2節分析，槽線諧振器自身諧振特性會在低頻處產生1個輻射零點fn1；為了提高天線通帶高頻側的帶外抑制效果，在微帶饋線上引入馬刺線，產生輻射零點fn2。為了驗證高頻輻射零點fn2是引入的馬刺線產生的，對馬刺線長度l3變化進行分析。如圖5（b）所示，隨著馬刺線長度l3的增加，輻射零點fn2向低頻移動，而fn1保持不變。圖7為輻射零點fn2的電流分布。可見，在5.5 GHz處，電流主要集中在馬刺線上，由于電流相互抵消，從而形成了輻射零點fn2。fn1為天線增益曲線低頻輻射零點，fn2為天線增益曲線高頻輻射零點。

2 結果

圖8和圖9為濾波DRA的實物加工圖以及測試結果與模擬結果的對比圖。如圖9所示，該天線的相對帶寬為53.40 %（3.02～5.22 GHz），通帶內存在3種模式：槽線偶模（3.16 GHz）、DRA的基模TE111模（4.54 GHz）以及槽線奇模（5.00 GHz）。測試結果表明，該天線的峰值增益可達5.78 dBi，帶內平坦增益為5 dBi。由于在天線通帶高頻側5.44 GHz處產生了一個輻射零點，提高了邊帶滾降率，帶外抑制水平高于25 dB。圖10給出了DRA在3.16，4.54 GHz和5.00 GHz時的輻射方向圖。可以看出，天線在主輻射方向上性能穩定，交叉極化低于15 dB，dB為天線增益單位。

表2列出了現有的一些研究的DRA與所設計的天線的對比分析。很明顯，與文獻[19]和[20]中提出的天線相比，該天線不僅具有更寬的阻抗帶寬，而且還實現了濾波功能。對比分析結果表明，該天線在帶寬、尺寸、增益和頻率選擇性方面實現了良好的平衡。

3 結論

本文采用融合設計的理念，設計了一種基于微帶-雙模槽線諧振器耦合饋電網絡的寬帶濾波介質諧振器天線，具有平坦的帶內增益和良好的帶外抑制特性。

1） 微帶-雙模槽線諧振耦合饋電網絡是對傳統濾波天線綜合設計方法的改進，將其由水平級聯改進為垂直級聯方式，從而實現了小型化、多功能的新型耦合饋電網絡。

2） 所設計天線的工作頻段可以滿足車載天線高速、穩定和可靠的通信要求，實現更穩定、更安全的車聯網通信，為智能交通系統的發展提供支持。

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通信作者：王傳云（1977—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為射頻和微波電路，天線理論與技術。E-mail： wangcy @ecjtu.edu.cn。