可调介质谐振天线的研究进展

王青敏，张家萌，许建春，郝亚楠，毕 科



可调介质谐振天线的研究进展

王青敏，张家萌，许建春，郝亚楠，毕 科

（北京邮电大学 理学院，北京 100876）

可调介质谐振天线是无线通信领域的研究热点，本文对近年来可调介质谐振天线的研究热点和研究现状进行了介绍，并对可调介质谐振天线已有的研究方法进行了总结和分析，概述了加载寄生导电片、加载寄生槽（缝隙）、采用液体介质、增加空气带隙、使用特殊介质材料、使用开关（转换）器件这几种可调技术，最后分析了各种可调技术的优缺点。

可调性；介质谐振天线；综述；谐振模式；辐射特性；无线通信

天线作为一种接收和发射无线信号的设备，是无线网络或无线电子设备中的关键部件，其性能直接影响到整个无线通信系统的性能。随着移动通信的飞速发展，现代无线通信系统对天线的要求越来越高。近年来，介质谐振天线（Dielectric Resonator Antenna，DRA）由于较好的辐射性能、较小的尺寸和较低的损耗等性能而受到了广泛的关注[1]。

介质谐振天线的发展起源于1983年Long等对圆柱形介质谐振天线的研究。其后人们设计了矩形、半球形、圆环形等各种形状的介质谐振天线，应用共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)[2]、微带线[3]、缝隙耦合[4]、同轴探针[5]等多样的馈电形式来激励介质谐振天线，使得介质谐振天线在辐射效率、带宽、尺寸、与其他微波器件匹配等性能上得到很大的提升。

目前，研究者们所设计的介质谐振天线其尺寸虽然已经极大减小，但仍然无法满足现代通信的需要，其主要原因是，一个通信设备往往需要多副天线来实现通信、导航等目的，多副天线组合的尺寸仍然非常大。同时由于设备内天线间的电磁兼容问题，使得设备在工作效率方面受到限制。

可调介质谐振天线能够通过对频率敏感的介质谐振天线进行调谐，在一定频率范围内调节辐射性能。在一些需要多副天线的通信设备中可以通过使用一个可调介质谐振天线来满足需求，从而降低费用，实现良好的电磁兼容，提升天线的整体性能。介质谐振天线可调化的研究，可以为天线频率调节提供技术指导。

为了对可调介质谐振天线设计方法有一个系统的了解，本文对可调介质谐振天线的设计思想进行了介绍，并重点对介质谐振天线的可调方法进行了分析总结。

1 可调介质谐振天线的设计思想

图1给出了包含微带线馈电结构和基板的基本介质谐振天线。

文献[6]给出了介质基板上圆柱形介质谐振天线的工作频率

式中：= 1, 2, 3；= 1, 2, 3；= 0, 1, 2；其他参数有天线的频率f与谐振子半径；高度。电磁参数和，TE(X)和TM()与谐振模式的指数、和等因素有关。

由此可知频率可调介质谐振天线可以通过改变介质材料，改变介质谐振天线尺寸或者激发不同谐振模式来实现。

天线的可调范围可以表示为

式中：high和low为工作频率的上下边界。

2 介质谐振天线的可调方法

2.1 加载寄生导电片

Li等[7]设计了一种同轴探针激发的圆柱或圆环形可调介质谐振天线。连续改变位于介质谐振天线顶部的寄生导电圆片的直径，在保证天线的谐振频率处于稳定状态且介质谐振天线性能不变的情况下，频率调节范围最大可达到17%，如图2所示。Chen等[8]进一步探究了介质谐振天线顶部放置的寄生导电圆片对天线谐振频率、输入阻抗和远场辐射的影响。介质谐振天线的特性受边界条件的影响[9]，当寄生导电圆片覆盖介质谐振天线时，天线顶部的表面边界条件发生改变，随着导电圆片直径的增加，这种改变越来越强烈，谐振频率红移。Ng等[10]利用易于同单片微波电路集成，同时避免探针电抗的缝隙耦合的馈电方式来激励半球介质谐振天线。随后在介质谐振天线表面添加多个矩形寄生导电贴片，在线偏振和圆偏振介质谐振天线中实现了工作频率的调节[11]。值得注意的是，在圆偏振介质谐振天线的调节范围内获得了很好的轴比和阻抗匹配。

采用这种方法，选择合适几何结构和尺寸的寄生导电片，可以调节介质谐振天线的工作频率、提升天线的辐射性能，同时弥补天线的制造容差。

2.2 加载寄生槽（缝隙）

Leung等[12]提出了一种适用于线偏振和圆偏振介质谐振天线的方法。改变与耦合缝隙同心的寄生槽的半径来调节天线的谐振频率。相比于通过改变馈电圆环的半径来实现可调性，具有更大的可调范围（线偏振天线–12%~+8%，圆偏振天线–3%~+4%），同时克服了改变馈电圆环带来的阻抗不匹配现象[13]。将馈电缝隙和寄生槽的都改为矩形，相较于环状寄生槽，提高了可调介质谐振天线设计的自由度[14]。

如图3所示，Huang[15]设计了一种微带线激励的可调介质谐振天线，改变加载在基板上的窄槽长度，天线基板上的表面电流路径弯曲，导致天线工作频率的变化，调节范围可以达到13%。另外，相比于没有窄槽的介质谐振天线来说，由于嵌入的窄槽降低了介质谐振天线的品质因数，天线的阻抗带宽增大[16-17]。

Huang等[18]改变寄生槽的位置，获得了频率可调的圆偏振介质谐振天线。这种方案仅通过改变寄生槽的长度，就可以很容易获得右手和左手圆偏振介质谐振天线。

这种方法在介质谐振天线的制造阶段通过调节寄生槽的尺寸，弥补了商用介质谐振器有限的尺寸和介电常数等因素的制约。

图3 可调微带馈电介质谐振天线

2.3 采用液体介质

Ting等[19]在1970年发现液体介质可以发生谐振。Kosta等[20]发现电导液体和一些生物液体可以在微波频段作为天线使用。相较于固体介质谐振天线，液体介质谐振天线在形状调控以及馈电探针和介质谐振器的耦合方面都得到了提升[21]。

Zhou等[22-23]设计了一个可调的小型液体介质谐振天线，使用在低频处具有较高的相对介电常数和较低的损耗因子（相对介电常数大约为79.45，损耗正切约为0.008）的蒸馏水作为天线介质材料。随着基板尺寸的增加，辐射阻抗和辐射电抗都减小了。因此，实验选用较大基板尺寸的介质谐振天线来获得较宽的匹配带宽。结果说明，天线的谐振频率随着液体相对介电常数的增加而降低，这种性能为简单测量液体介电常数提供了新方法。

Fayad等[24-25]报道了一种谐振频率随离子浓度变化的液体介质谐振天线。使用聚氯乙烯（PVC）管构建一个单极子天线，聚氯乙烯管内充入离子液体。因为天线的辐射效率可以表示为：，式中：L代表阻抗损耗；r代表着辐射阻抗。随着水中盐分的增加，天线的r减少，L保持常量，因此基本谐振频率增加，但是回波损耗降低，天线的带宽增强。

同时，PVC管的半径，管内离子液体的高度等因素，也可以调节介质谐振天线的频率和辐射。

与纯水介质谐振天线相比，在较高频率（>1 GHz）处，纯水的极性水分子随着电场振荡而发生移动，导致了具有相位差值的损耗。增加盐分降低了介电响应（实部和虚部）[26-27]，离子不影响天线的电导率，仅仅调节天线的介电性能，具有更高的实用性。

如图4，Huff等[28]制造了一个可调分散胶体介质，使用聚碳酸酯管固定钛酸锶钡胶体。通过改变胶体的高度来改变DRA的频率和阻抗性能。

采用液体介质谐振天线来代替传统的固体介质谐振天线，对天线工作频率和辐射等性能的调节更加方便，但是额外配置的抽水泵增加了整个天线的尺寸。

图4 可调胶体介质谐振天线

2.4 增加空气带隙

Apperley等[29]提出了一种新的利用空气隙来实现频率可调的介质谐振天线。在DRA和基板间填充通道，通过移动辅助金属块，来调节谐振频率，频率调节范围可达24.7%。

文献[23]也验证了随着水和基板之间的空气带隙的增加，整个介质谐振天线的有效介电常数降低，导致天线谐振频率的增加。

Voloshyn等[30]设计了一种由波导激发的频率可调的环状介质谐振天线。改变垂直于介质谐振天线辐射电场线方向的谐振半环之间空气带隙的尺寸，介质谐振天线的频率调节范围可达30%，且不破坏整个天线的辐射效率和辐射方向，如图5所示。

2.5 使用特殊介质材料

Neto等[31]设计了一种基于纳米结构的镍铁氧体（NiFe2O4）的可调介质谐振天线，通过改变外加偏置磁场，天线的谐振频率可调，并且这种介质谐振天线相比于传统天线具有较低的尺寸，易于集成，缺点是较高的材料损耗和需要较大的直流偏置。

Wan等[32]研究了基于不同含量Fe2O3的Y3Fe5O12（YIG）铁氧体的可调介质谐振天线，谐振频率随着在YIG铁氧体中FeO含量的增加而改变。

Petosa[33]报道了一种磁可调的介质谐振天线，由铁氧体材料制成的介质谐振天线，分别改变沿着和垂直于天线方向施加偏置磁场，相对于没有施加偏置的情况，获得了最大的8%的上偏移频率（平行偏置）和8%的下偏移频率（垂直偏置）。

本课题组对热调节介质谐振天线做了一定的研究[34]。使用热敏陶瓷CaTiO3作为介质谐振器。由于CaTiO3的介电常数随着温度的升高而降低，因此，介质谐振天线的频率随着温度的升高而向高频移动。

这种方法为可调介质谐振天线的商业化制造提供了方向。

2.6 使用开关（转换）器件

PIN二极管是目前在频率可调领域应用最广泛的电控开关器件。有着低价、低损耗、小尺寸、稳定隔离、低寄生阻抗、快速转换等优点。最重要的是，PIN二极管开关能够使用较低的功率来控制大的射频信号[35]。变容二极管可以通过改变偏置电流获得连续的变化，是常用的电控器件，所以主要使用PIN二极管和变容二极管作为开关器件来制造电控可调介质谐振天线。

Petosa等[36]利用两种不同形式的有源器件PIN二极管和变容二极管开关分别制造了电控频率分立可调介质谐振天线和频率可连续变化的介质谐振天线。Desjardins等[37]在此基础上使用双边导壁降低了由单边导壁引起的交叉极化辐射模式，且PIN二极管和变容二极管的DRA的可调范围分别能达到91%和58%。

Danesh等[38-41]在电控可调介质谐振天线设计和在无线系统中的应用等方面进行了一系列的研究。使用两个放置在反馈网络上的PIN开关，天线可以在三个频率间进行调节尤其是当两个都处于开状态时，天线的阻抗带宽达到65%[38]。利用两个二极管来连接三个不同的介质谐振天线，合适的开关组合状态获得了适用于无线城域网WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)和无线局域网络WLAN (Wireless Local Area Networks) （2.4，2.5，3.5，5，5.2和5.8 GHz）的可调介质天线[39]。进一步使用三个PIN开关连接四个完全相同的介质谐振天线，得到频率可以在1.60 GHz和2.71 GHz之间调节的介质谐振天线，可用于LTE（Long Term Evolution）通用移动通信技术的长期演进无线广域网WWAN（Wireless Wide Area Network）和无线局域网络WLAN (Wireless Local Area Networks)[40]。使用U型微带线来馈电，通过在一个臂上加载PIN开关，使得天线能够在4.12 GHz和8.85 GHz两个频段来调节，并且两个频段都具有宽带阻抗匹配（49%，25%），有利于多功能天线的研究和设计，如图6[41]。

Hao等[42]设计了一种加载电容器和变容器的频率可调矩形介质谐振天线。可以通过加载元件和DRA和导电贴片的尺寸来调节频率。尤其是对于变容器加载元件，可以通过调节变容器的偏置电流来动态地调节频率。

表1对介质谐振天线的可调方法做了归纳，可调介质谐振天线设计的途径可分为电子开关、结构改变、材料改变。

表1 介质谐振天线可调方法

Tab.1 Tunable methods of dielectric resonant antenna

3 结束语

可调介质谐振天线是无线通信领域的研究热点，天线的性能直接影响着整个通信系统的性能。本文在现有文献的基础上，介绍了可调介质谐振天线的研究方法，概述了相关调制思想和技术，最后分析了各种可调技术的优缺点，为后续可调介质谐振天线的设计提供思路。通过近年来可调介质谐振天线的研究可以看出，可调介质谐振天线的主要发展趋势为天线的小型化和复合化，因此可以预期具有多种可调功能的介质谐振天线在无线通信领域良好的应用前景。

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（编辑：陈渝生）

Progress in tunable dielectric resonator antennas

WANG Qingmin, ZHANG Jiameng, XU Jianchun, HAO Yanan, BI Ke

(School of Science, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Tunable dielectric resonator antenna (DRA) is one hot topic in the field of current wireless communication. In this paper, the development history and recent status of tunable DRA are introduced. The current research methods of tunable DRA are summarized and analyzed. Besides, the tunable techniques for loading parasitic conductors, loading parasitic slots, using liquid media, increasing the air band gap, using special dielectric materials, and using switch (switching) devices are introduced. Finally, the advantages and disadvantages of the tuning technology are analyzed.

tunable property; dielectric resonator antenna; review; resonant mode; radiation characteristics; wireless communication

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.003

TN826

A

1001-2028（2017）04-0015-06

2017-01-09

毕科

国家自然科学基金资助(No. 61575028；No.61574020；No. 51402163)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(No. 2015RC18)；信息光子学与光通信国家重点实验室（北京邮电大学）基金资助

毕科（1983－），男，山东淄博人，副教授，主要从事天线研究，E-mail: bike@bupt.edu.cn；王青敏（1992－），女，河北邯郸人，博士研究生，主要从事天线研究，E-mail: wqm@bupt.edu.cn。

网络出版时间：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.003.html