張 昭，曹祥玉，李思佳

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院， 西安710077)

0 引言

移動(dòng)通信和衛(wèi)星導(dǎo)航的快速發(fā)展使得傾斜波束天線成為無線通信系統(tǒng)中必不可少的一部分?，F(xiàn)階段天線波束傾斜主要通過陣列天線方向圖綜合［1-3］或者采用特殊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的單元天線［4-8］來實(shí)現(xiàn)。陣列天線較大的尺寸和復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)限制了其應(yīng)用范圍，而采用特殊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的傾斜波束單元天線克服了上述缺點(diǎn)，引起研究人員的極大興趣并開展了深入研究。文獻(xiàn)［4］采用U型縫隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)傾斜波束天線，實(shí)現(xiàn)了30°和331°方向的波束傾斜;文獻(xiàn)［5］通過在帶狀線兩個(gè)金屬面開鑿矩形“窗口”，同時(shí)，在下表面的“窗口”附加金屬背腔實(shí)現(xiàn)了27°的波束傾斜;文獻(xiàn)［6-7］采用不同饋電方式的螺旋天線實(shí)現(xiàn)了圓極化傾斜波束，但波束傾斜在一定程度上依賴于反射接地板。

不同于傳統(tǒng)金屬貼片微帶天線，介質(zhì)諧振天線(Dielectric Resonator Antenna，DRA)以高介電常數(shù)介質(zhì)諧振器(Dielectric Resonator，DR)為輻射單元，具有高輻射效率、低損耗、尺寸小和易饋電等特點(diǎn)。自1983年DRA問世以來［8］，其結(jié)構(gòu)從最初的矩形、圓柱形介質(zhì)發(fā)展到了雙層介質(zhì)、分形結(jié)構(gòu)介質(zhì)、內(nèi)外層嵌套介質(zhì)等多種形式［9-10］，饋電方式也有同軸線、縫隙耦合、微帶線和共面波導(dǎo)等多種形式［11-12］，這些研究推動(dòng)了介質(zhì)諧振天線性能的提升。

鑒于移動(dòng)通信、導(dǎo)航定位等應(yīng)用環(huán)境對(duì)天線波束和極化方式的特殊要求，本文設(shè)計(jì)了一種圓極化傾斜波束介質(zhì)諧振天線，該天線以表面具有一定傾斜角度的介質(zhì)諧振器為輻射單元，采用改進(jìn)的正交不等長(zhǎng)縫隙結(jié)構(gòu)耦合饋電，在18.2%的軸比帶寬內(nèi)，達(dá)到了30°的波束傾角指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了圓極化天線和傾斜波束天線的一體化設(shè)計(jì)。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

DRA和饋電縫隙結(jié)構(gòu)如圖1所示，將傳統(tǒng)微帶天線的金屬輻射貼片用DR替換，利用改進(jìn)的正交不等長(zhǎng)縫隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合饋電，金屬接地板上下兩側(cè)為介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)基板，厚度均為0.5 mm。DR位于上層介質(zhì)基板中心位置，介電常數(shù)為10.2。其他參數(shù)如下:a=b=16 mm;L=3.4 mm;w=2 mm;Δh=1.6 mm;L1=7.5 mm;L2=3.5 mm;Lx1=1.12 mm;Lx2=1.38 mm。

圖1 DRA結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)矩形介質(zhì)諧振器諧振模式的分析可以采用介質(zhì)波導(dǎo)模型理論［13］。DR長(zhǎng)、寬、平均高度(上表面中心位置高度值)分別為a，b，h，則沿(x，y，z)各維的波數(shù) kx，ky，kz滿足

式中:εeff為DR和上層介質(zhì)板的等效介電常數(shù);k0為自由空間波數(shù)。利用上式可以計(jì)算出本文天線諧振主模 TEδ11的頻率為 9.44 GHz。

從圖1b)、圖1c)可以看出，該天線有兩處明顯的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):DR和饋電縫隙結(jié)構(gòu)。饋電縫隙激勵(lì)的諧振模式和介質(zhì)諧振模式在一定程度上是兩種獨(dú)立的諧振模式［12］?？p隙結(jié)構(gòu)和上下層介質(zhì)決定了縫隙諧振模式，調(diào)節(jié)正交縫隙和末端拐角縫隙參數(shù)可以激勵(lì)起兩個(gè)幅度相等、相位相差90°的線極化波，從而形成圓極化輻射波;而介質(zhì)諧振模式主要取決于DR的尺寸和介電常數(shù)，鑒于這方面已有很多研究成果［8-13］，這里不再贅述，下文只討論DR表面傾斜角度，即高度差Δh對(duì)天線性能的影響。

2 仿真分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2.1 DR表面傾斜角度對(duì)天線性能的影響

傳統(tǒng)矩形介質(zhì)諧振天線通過調(diào)節(jié)DR結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)高比及介電常數(shù)來改善天線性能。將矩形介質(zhì)諧振器上表面傾斜處理，通過改變兩邊的高度差來改變表面傾斜角度，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度，借助結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)了輻射波束指向的改變。在其他參數(shù)不變的情況下仿真分析了Δh對(duì)S11和軸比的影響，結(jié)果如圖2所示。由于DR長(zhǎng)、寬和中心高度均未變化，Δh的變化對(duì)諧振主模頻點(diǎn)位置影響甚微，主要影響諧振頻點(diǎn)處S11曲線的深度。微調(diào)Δh可以使軸比帶寬獲得較大的展寬，但是由縫隙結(jié)構(gòu)形成的軸比頻帶并未覆蓋主模TEδ11諧振頻率9.44 GHz，由此證實(shí)了前文論述，即縫隙諧振模式和介質(zhì)諧振模式在一定程度上是相互獨(dú)立的，通過優(yōu)化DR和縫隙結(jié)構(gòu)參數(shù)可以使帶寬獲得較大擴(kuò)展。

圖2 Δh對(duì)S11和軸比的影響

表面傾斜角度對(duì)波束偏轉(zhuǎn)角度的影響可以用Snell定理來解釋，如圖3所示。由式(3)可知，高度差Δh決定了傾斜角度θ，在介質(zhì)和空氣分界面處，折射率的變化使波的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且高度差Δh(即入射角θ)越大，波束偏轉(zhuǎn)角度(即折射角θt)越大。需要注意的是，為獲得較大波束偏轉(zhuǎn)角度而增加表面傾斜角度時(shí)，DR和縫隙結(jié)構(gòu)參數(shù)均需要再優(yōu)化以獲得良好的阻抗和軸比特性。

圖3 分界面處的Snell定理

2.2 縫隙結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響

縫隙耦合饋電條件下，縫隙結(jié)構(gòu)決定了耦合能量的大小。以一般正交不等長(zhǎng)縫隙為基礎(chǔ)，在其兩端增加拐角縫隙進(jìn)行改進(jìn)，兩者的電流分布對(duì)比如圖4所示。增加拐角縫隙后，隨著電場(chǎng)的相位變化，縫隙相交處電流有所減弱，電流集中分布在縫隙末端拐角處，并且隨著饋電相位變化呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)交替變化的特征?？p隙對(duì)帶寬的影響主要取決于兩個(gè)正交長(zhǎng)縫隙，圖5給出了不同L1/L2比值條件下相對(duì)帶寬變化曲線，可以看出隨著L1/L2的增大，縫隙結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性增強(qiáng)，阻抗帶寬和軸比帶寬均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)L1/L2值為2～2.4時(shí)，相對(duì)帶寬達(dá)到最大值。由此可知，兩個(gè)正交縫隙所產(chǎn)生的諧振峰經(jīng)歷了相距較遠(yuǎn)、逐漸靠近、再遠(yuǎn)離的變化過程，當(dāng)兩者較近時(shí)形成寬帶諧振。

圖4 縫隙周圍電流分布圖

圖5 帶寬變化曲線

將文獻(xiàn)［6-7］和本文所設(shè)計(jì)的圓極化傾斜波束天線在滿足不同條件下(S11＜-10 dB，AR＜3 dB和波束傾斜30°)的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比可以看出，本文采用表面傾斜的DR設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振天線在同時(shí)滿足S11、AR和波束傾斜30°的條件下，具有寬頻帶、低剖面的特點(diǎn)，見表1。

表1 性能參數(shù)對(duì)比

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)以上分析，選取如下參數(shù)進(jìn)行實(shí)物加工制作:L1/L2=2.04，Δh=1.6 mm，天線實(shí)物如圖6所示。分別測(cè)試了天線回波損耗S11、軸比和11 GHz、12 GHz、13 GHz方向圖，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖7、圖8所示?？梢钥吹?，S11和軸比的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，需要說明的是，仿真建模時(shí)DR精確地位于上層介質(zhì)基板的中心位置，而實(shí)物安裝時(shí)會(huì)存在細(xì)微偏差，對(duì)S11和軸比測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定影響。由于正交縫隙長(zhǎng)度L1＞L2，該天線輻射右旋圓極化波，在30°左右較寬的波束范圍內(nèi)，交叉極化隔離度保持在10 dB以上，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。

圖6 天線實(shí)物圖

圖7 S11和AR結(jié)構(gòu)

圖8 各頻點(diǎn)方向圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將表面傾斜的DR和改進(jìn)的正交不等長(zhǎng)縫隙饋電結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種介質(zhì)諧振天線，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶圓極化傾斜波束。仿真結(jié)果表明，波束傾斜30°條件下的軸比帶寬達(dá)到18.2%，同時(shí)天線具有明顯的低剖面特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真結(jié)果相一致，驗(yàn)證了該方法在圓極化傾斜波束天線設(shè)計(jì)中的有效性。

［1］Liu C R，Xiao S Q，Guo Y X，et al.Broadband circularly polarized beam-steering antenna array［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61(3):1475-1479.

［2］張 玉，胡 進(jìn).考慮互偶的平面相控陣天線波束形成［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34(9):69-75.Zhang Yu，Hu Jin.Phased array antenna beamforming with the effect of mutual coupling［J］.Modern Radar，2012，34(9):69-75.

［3］Jusoh M，Jamlos M F，Kamarudin M R，et al.A beam steering patch array antenna for WiMAX application［C］//7th European Conference on Antennas and Propagation.Gothenburg:［S.l.］，2013:924-927.

［4］Ha S J，Jung C W.Reconfigurable beam steering using a microstrip patch antenna with a U-slot for wearable fabric applications［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011(10):1228-1231.

［5］Nakano H，Iwatsuki M，Sakurai M，et al.A cavity-backed rectangular aperture antenna with application to a tilted fan beam array antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51(4):712-718.

［6］Nakano H，Kirita S，Mizobe N，et al.External excitation curl antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59(11):3969-3977.

［7］李思佳，曹祥玉，高 軍，等.傾斜波束非對(duì)稱SAARS微帶天線設(shè)計(jì)［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，41(1):1-6.LI Sijia，Cao Xiangyu，Gao Jun，et al.SAARS microstrip antenna design with an asymmetrical structure and a tilted beam［J］.Journal of Xidian University，2014，41(1):1-6.

［8］Long S A，McAllister M W，Shen L C.The resonant cylindrical dielectric cavity antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1983(31):406-412.

［9］Lai H W，Luk K M，Leung K W.Dense dielectric patch antenna-A new kind of low-profile antenna element for wireless communications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61(8):4239-4245.

［10］Dhar S，Ghatak R，Gupta B，et al.A wideband minkowski fractal dielectric resonator antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61(6):2895-2903.

［11］Motevasselian A，Ellgardt A，Jonsson B L G.A circularly polarized cylindrical dielectric resonator antenna using a helical exciter［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61(3):1439-1443.

［12］Buerkle A，Sarabandi K，Mosallaei H.Compact slot and dielectric resonator antenna with dual-resonance，broadband characteristics［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53(3):1020-1027.

［13］Mongia R K，Ittipiboon A.Theoretical and experimental investigations on rectangular dielectric resonator antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1997，45(9):1348-1356.