一种新型圆柱形介质谐振器微带天线仿真分析

王蕾蕾，安合志，李 萍，张文辉

(1.武警工程大学研究生大队，陕西西安 710086;2.武警工程大学通信工程系，陕西西安 710086)

早在20世纪30年代末，美国斯坦福大学学者R.D.Richtmyer从理论上证明了:未金属化的高介电常数和低损耗的介质可作为微波电磁谐振器，称之为介质谐振器(Dielectric Resonator，DR)。仅限于当时的工艺和技术水平，未研制出微波损耗较小的高介电常数的介质材料。直到1983年，S.A.Long等人的研究成果才表明，在选择适当形状、介电常数以及馈电方式的情况下，介质谐振器也可作为天线使用［1］。由于其不存在导体和表面波损耗且辐射效率高，近年来在无线通信领域显示出潜在应用价值。

1 圆柱形介质谐振器

圆柱形介质谐振器通常采用损耗低、频率温度系数小、介质常数高的陶瓷材料，且其工作主要在微波频段。为分析其频率特性，首先孤立介质谐振器，默认边界条件为z=0的平面上，Er=0，Eφ=0。

假设圆柱表面为理想磁壁，则沿z轴方向的TE和TM的方程可以写成［2］

式中，c是真空中光速;Jn是第一类贝塞尔函数。

Jn(Xnp)=0，J'n(X'np)=0，n=1，2，3，…;m=1，2，3，…;p=1，2，3，…，

主模就是频率最低的模式，即m=0，n=1，p=1，X'11=1.841其频率计算公式为

计算主模等效磁面电流，主模的波方程为

由于馈电位置在φ=0°的面，所以上式中没有正弦。切线电场由下式决定

顶面和底面电流为

在实际应用中，天线通常工作于TM110模，其谐振频率公式为［3－4］

2 谐振器各参数对天线性能仿真分析

文中天线的基本结构如图1所示。介质基板尺寸为L×W，上层厚度为b;下层厚度为上层的1/2;相对介电常数为εr;沿天线横轴与纵轴方向在基板上层加载对称U型槽，圆柱形介质谐振器垂直置于槽上，并采用微带—槽耦合馈电机制。连接端口1的微带线为对称结构，连接端口2的微带线采用不对称结构，以此来降低耦合度。其中，U型槽的横向槽长度为Lf;竖向槽长度为Wf;槽宽度为d;圆柱形介质谐振器的半径为Rc;高度为 Hc。

图1 天线基本结构图

2.1 圆柱形介质谐振器半径

利用Ansoft HFSS 12软件进行仿真，分析对称型圆柱形介质谐振器微带天线半径Rc的变化对天线驻波的影响。Rc分别取2.7 mm、2.8 mm、2.9 mm和3.0 mm，仿真结果如图2所示。

图2 Rc对天线VSWR的影响

图2中，虚线为2.7 mm、点线为2.8 mm、实线为2.9 mm、长虚线为3.0 mm。由图2可知，随着圆柱形介质谐振器半径Rc的增加，端口1对应天线的谐振频率接近线性降低，但VSWR＜2带宽变化不明显。对于端口2而言，天线的低频谐振点和高频谐振点随着圆柱形介质谐振器半径Rc的增加略向左移，但高频谐振点移动的速度明显比低频谐振点快。同时，低频谐振点的驻波值基本无变化，而高频谐振点的天线性能明显改善。

2.2 圆柱形介质谐振器高度

利用Ansoft HFSS 12软件进行仿真，分析对称型圆柱形介质谐振器微带天线高度Hc的变化对天线驻波的影响。Hc分别取3.8 mm、3.9 mm、4.0 mm 和4.1 mm，仿真结果如图3所示。

图3中，虚线为3.8 mm、点划线为3.9 mm、实线为4.0 mm、长虚线为4.1 mm。由图3可知，随着圆柱形介质谐振器高度Hc的增加，端口1对应天线的谐振频率略有降低，谐振点的驻波值呈先减小后增大的趋势。端口2中，低频谐振点的驻波值略有减小，高频谐振点的驻波值略有增大，但整体变化并不明显。此外与两个端口相对应的、天线VSWR＜2的带宽均无明显变化。

图3 Hc对天线VSWR的影响

3 结束语

文中主要分析了影响天线性能的圆柱形介质谐振器的两个重要参数，通过比对，可总结出变化规律:随着圆柱形介质谐振器半径Rc和高度Hc的增加，天线的谐振频率均有所降低。这主要是因为Hc/Rc的比值发生变化，引起其他谐振模式造成干扰，从而导致天线的谐振频率普遍降低。在实际应用中，大都要求谐振腔在一定的工作频率范围内只谐振于一种模式，因此在圆柱形介质谐振器设计时，应尽可能地消除干扰模的影响并保留所需要的模式。

［1］ LONG S A.The resonant cylindrical dielectric cavity antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008(1):25－31.

［2］ LONG S A，MCALLISTER M，SHEN L C.The resonant cylindrical cavity antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagation，1983，AP －31(6):406 －412.

［3］ KISHK A A，ITTIPIBOON A，ANTAR Y M M，et al.Slot excitation of the dielectric disk radiator［J］.IEEE Transactions.Antennas Propagat，1995，43(2):198 －201.

［4］ 汤小蓉.双极化介质谐振器天线和低旁瓣圆极化微带天线阵的研究［D］.上海:上海大学，2009.

［5］ 邓晔辉，逯贵祯，刘俭.小型EMC宽带嗽叭天线设计［J］.现代电子技术，2006(14):144－146.

［6］ 范结义，高成.商用电磁仿真软件的现状与发展［J］.电子科技，2011，24(1):125 －127.