一種圓極化毫米波介質(zhì)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(xué)，山東 曲阜 273165）

0 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，毫米波由于其具有寬帶寬、窄波束以及穿透強(qiáng)等特點(diǎn)，在通信、雷達(dá)以及醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(guān)注。常用的毫米波天線有介質(zhì)諧振器天線、微帶天線以及喇叭天線等。

介質(zhì)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(diǎn)[1]。介質(zhì)諧振器一般用高介電常數(shù)的材料制成。在毫米波段，金屬天線的導(dǎo)體損耗大大降低了天線的輻射效率，而DRA不存在導(dǎo)體和表面波損耗，自身的介質(zhì)損耗小，具有較高的輻射效率，因此介質(zhì)諧振器天線在毫米波段得到了廣泛應(yīng)用[2]。研究發(fā)現(xiàn)，單個(gè)介質(zhì)諧振器單元的增益較小，因此在合理排列的情況下，多個(gè)介質(zhì)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(shù)衛(wèi)星通信和導(dǎo)航定位系統(tǒng)都采用圓極化形式。介質(zhì)諧振天線通過(guò)產(chǎn)生極化方向正交、幅度相等以及相位差90°的2個(gè)線極化波[4]實(shí)現(xiàn)圓極化?，F(xiàn)階段，圓極化已成為介質(zhì)諧振器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。

本文提出了一種微帶饋電的4單元圓極化介質(zhì)諧振器天線陣列，設(shè)計(jì)了一種非均勻的微帶饋線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)非均勻的激勵(lì)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(shù)的情況下，通過(guò)在圓柱形介質(zhì)諧振器中心挖正交矩形槽的方式實(shí)現(xiàn)天線的圓極化。

1 圓柱型介質(zhì)諧振器原理

假設(shè)圓柱形介質(zhì)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(lèi)貝塞爾函數(shù)，有：

式中a為圓柱形介質(zhì)諧振器的半徑，h為介質(zhì)諧振器的高度。

天線在實(shí)際應(yīng)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(shù)為：

2 天線陣列設(shè)計(jì)與結(jié)果

介質(zhì)諧振器天線陣列模型如圖1所示，諧振腔選用介電常數(shù)εr1=37的某種材料，其半徑a=0.178 mm,高h(yuǎn)1=0.143 mm。介質(zhì)基板采用介電常數(shù)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(guò)在諧振器中心挖兩個(gè)相互正交的矩形槽，實(shí)現(xiàn)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(kāi)路微帶饋線網(wǎng)絡(luò)，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(kāi)槽處阻抗為50 Ω（W1），λ/4阻抗轉(zhuǎn)換器的阻抗為35 Ω（W2）；W3段的阻抗為86 Ω，用于實(shí)現(xiàn)非均勻的激勵(lì)；為實(shí)現(xiàn)各段微帶線之間的匹配，W4段阻抗設(shè)置為66 Ω。使用同軸探針對(duì)微帶線端口進(jìn)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(zhì)諧振器天線陣列模型

利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，得到一組最優(yōu)的天線參數(shù)如表1所示。

表1 天線參數(shù)

介質(zhì)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(duì)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(dá)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(zhì)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?qū)崿F(xiàn)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(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種工作在毫米波段的圓極化介質(zhì)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(guò)對(duì)介質(zhì)諧振器進(jìn)行挖槽的方式實(shí)現(xiàn)了圓極化性能，并通過(guò)設(shè)計(jì)非均勻饋電網(wǎng)絡(luò)達(dá)到降低天線輻射旁瓣的目的。仿真結(jié)果表明，S11≤-10 dB的相對(duì)帶寬為4.45%，圓極化的軸比帶寬為4.4 GHz，最小軸比可達(dá)到0.47 dB。天線陣列實(shí)現(xiàn)了11.379 dB的高增益輻射，可應(yīng)用于未來(lái)的毫米波通信系統(tǒng)。