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(píng)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(duì)于天線(xiàn)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(xiàn)由于在高頻段金屬歐姆損耗高和天線(xiàn)幾何尺寸較大的問(wèn)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(xiàn)由于其輻射單元不存在金屬損耗,天線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行通信。隨著天線(xiàn)工作頻率升高,現(xiàn)階段研究的各種金屬天線(xiàn)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(hào)的天線(xiàn)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(xiàn)很難再滿(mǎn)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(xiàn)可以在較寬的頻率范圍進(jìn)行工作,以滿(mǎn)足眾多無(wú)線(xiàn)通信頻段。國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)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(xiàn)陣列、使用分型幾何結(jié)構(gòu)等方法來(lái)增加DRA 帶寬,但對(duì)DR 進(jìn)行切割引入空氣縫隙后會(huì)導(dǎo)致天線(xiàn)增益急劇降低和輻射方向圖性能下降,而使用天線(xiàn)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(xiàn)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(wèn)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(xiàn)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(xiàn)帶寬,仍然需要深入研究。

本文針對(duì)現(xiàn)階段DRA 存在的問(wèn)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(guò)十字交叉DR 堆疊的方式將DRA的增益提高到了9 dB,通過(guò)增加金屬錐形反射器可進(jìn)一步將天線(xiàn)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(xiàn)小型化,保證天線(xiàn)良好的輻射性能,并進(jìn)一步提高了天線(xiàn)增益。

1 天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

1.1 寬帶DRA 的設(shè)計(jì)

介質(zhì)諧振器天線(xiàn)是一種諧振式天線(xiàn),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(duì)介電常數(shù)所決定。矩形DR 諧振頻率主要由其長(zhǎng)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(guò)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(duì)應(yīng)Ld、Wd和Hd的長(zhǎng)度。但傳統(tǒng)矩形DR 相對(duì)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(wú)法滿(mǎn)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(zhǎng)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(guò)改變介質(zhì)諧振器的Ld和堆疊DR 的高度,改變天線(xiàn)不同諧振模式,獲得不同諧振頻率。通過(guò)將多個(gè)不同長(zhǎng)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(xiàn)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(guò)HFSS 軟件對(duì)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(zhǎng)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(xiàn)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(zhǎng)度會(huì)影響DR截止頻率。通過(guò)HFSS 軟件對(duì)不同的探針長(zhǎng)度hp時(shí),DRA 對(duì)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(duì)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(xiàn)具有較好的寬帶特性,而超出這個(gè)范圍時(shí),天線(xiàn)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(wú)法將能量耦合到DR1 和DR2 中,所以無(wú)法激勵(lì)形成多種TEmn0諧振模,天線(xiàn)只能呈現(xiàn)窄帶特性。而同軸探針hp大于4 mm 的時(shí)候,無(wú)法激勵(lì)DR 層所對(duì)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(wú)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(duì)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(zhǎng)邊的中線(xiàn)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(xiàn)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(duì)介電常數(shù)為4.4 的FR-4 介質(zhì)板上,介質(zhì)板的長(zhǎng)度L和寬度W為40 cm,厚度為0.8 mm。設(shè)計(jì)的DRA 通過(guò)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(guò)對(duì)矩形地進(jìn)行切角處理,使得天線(xiàn)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(xiàn)的輻射單元(DR)面積,此時(shí)的DR 下小上大的倒臺(tái)階形狀,增加了天線(xiàn)的增益,使得DRA 既可以工作在較寬的頻帶,又保證了天線(xiàn)的輻射性能,同時(shí)增加了天線(xiàn)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(lái)增加天線(xiàn)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(zhǎng)度為Wd,上口徑寬度為L(zhǎng)d,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(duì)天線(xiàn)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(guò)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(wú)金屬錐形反射器的增益對(duì)比圖。從圖6 可以看出,天線(xiàn)在無(wú)金屬錐形反射器的時(shí)候,天線(xiàn)增益不高于9 dB,在增加金屬錐形反射器后,天線(xiàn)增益/頻率曲線(xiàn)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(xiàn)具體參數(shù)見(jiàn)表2。

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

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

2 天線(xiàn)的測(cè)試和分析

天線(xiàn)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(cè)性能,使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363C 測(cè)量其S11參數(shù),結(jié)果如圖8 所示。從圖8 中可以看出,天線(xiàn)中心頻率為15.25 GHz,在工作頻率11.59～18.92 GHz 范圍內(nèi),天線(xiàn)阻抗帶寬百分比為48%。測(cè)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(xiàn)加工過(guò)程中也存在一些誤差。天線(xiàn)在實(shí)際測(cè)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(xiàn)實(shí)物圖Fig.7 The photo of the DRA

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

在微波暗室中對(duì)天線(xiàn)增益進(jìn)行了測(cè)試,圖9 為天線(xiàn)在10～20 GHz 所對(duì)應(yīng)增益曲線(xiàn)圖,從圖中可以看到,天線(xiàn)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(xiàn)的增益不低于10 dB,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)DRA 增益,天線(xiàn)在工作頻率范圍內(nèi)的輻射性能良好。天線(xiàn)的仿真和測(cè)試結(jié)果吻合,測(cè)試結(jié)果很好地驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

圖10 為天線(xiàn)在11.5,13.5,15.5,17.5 GHz 處E面和H 面天線(xiàn)增益曲線(xiàn)圖,從圖中可以看到天線(xiàn)具有較低旁瓣,天線(xiàn)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(duì)應(yīng)的增益與圖9 中曲線(xiàn)上頻點(diǎn)對(duì)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(cè)試增益對(duì)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(xiàn)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(guò)堆疊矩形DR 的方法擴(kuò)展天線(xiàn)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(duì)稱(chēng)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(guò)金屬錐形反射器和DRA 組合的方式,提升天線(xiàn)增益。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,天線(xiàn)百分比帶寬為48.2%,天線(xiàn)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(xiàn)的方向圖可以看到天線(xiàn)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(wèn)題。