双极化介质谐振器天线设计与教学实践

宋立众, 王 谦, 周辉媛

(1. 哈尔滨工业大学(威海),信息与电气工程学院,山东 威海 264209；2. 山东航天电子技术研究所, 山东 烟台 264003)

仪器设备研制与应用

双极化介质谐振器天线设计与教学实践

宋立众1, 王 谦2, 周辉媛1

(1. 哈尔滨工业大学(威海),信息与电气工程学院,山东 威海 264209；2. 山东航天电子技术研究所, 山东 烟台 264003)

在电波与天线课程中引入双极化相控阵天线设计用于驱动教学模式,以方案设计、电磁仿真和加工实验为手段,开展面向工程应用的实践教学改革探索,以达到有效提升教学效果的目标。阐述了双极化相控阵天线的特点和教学应用方法,以双极化介质谐振器天线的设计为例,进行了中心频率为5 GHz的天线单元的电磁仿真和加工测试工作。研究结果表明,双极化介质谐振器天线是一种有效的双极化相控阵天线单元实现方案,对实际工程应用起到有益的参考作用,同时介质谐振器作为一种新型的天线,在教学方面具有创新性。

双极化天线； 相控阵； 介质谐振器天线； 实践教学

“电磁场与无线技术”在无线通信、雷达、遥感、遥测遥控、地球物理探测、电子测量、电子对抗、射电天文与无损探测等方面具有广泛的应用。“电磁场与无线技术”与其他学科的相互融合,已形成了电磁兼容与环境电磁学、生物电磁学、材料电磁学、地震电磁学等新兴边缘学科,该专业具有旺盛的生命力。电磁场与电磁波、微波技术基础和天线与电波传播等课程是本专业的重要课程,它们的特点是课程内容抽象、理论性强,教与学都有难度，教师采用常规教学法难以使学生听懂,学生在学习的过程中积极性不高[1-2]。实验与实践教学是本专业人才培养系统工程中的一个重要环节,对培养学生的实验能力、实际操作能力、独立分析和解决问题的能力、创新思维及理论联系实际能力,具有独特的地位和作用。因此在教学内容和实践教学模式等方面,电磁场与无线技术专业都有进行教学改革的必要，国内很多高校都开展了这一方面的研究工作[2-4]。

驱动教学法是实施探究式教学模式的一种教学方法。这种教学模式以项目、任务为教学单元,利用示范、练习和实训三级项目来贯穿整个教学,可以提高学生的实践能力、分析能力、综合能力、应变能力、交流能力、合作能力和解决实际问题的能力,对提高课程教学质量和培养学生的创新能力行之有效。因此,在电磁场与无线技术专业教学中引入项目驱动教学法非常有利。本文通过提炼研究中的科学问题和解决方案,并将项目需求的新概念和新方法加入到课堂理论知识教学中,学生在经过仿真软件和当前先进的主流微波测试仪表的学习和培训后,承担某一单项设计任务,并作为一项成绩考核指标,配合教师完成具体的研究任务,在实现项目需求的同时,学生也获得了工程能力的培养和创新能力的提高。

1 全极化数字式相控阵天线

在天线技术领域,全极化数字式相控阵天线已成为目前发展趋势和研究热点,无论是雷达系统还是通信系统,数字式相控阵天线都有着十分广阔的应用前景[5-7]。数字相控阵天线是一种收、发均采用数字波束形成技术的全数字化相控阵天线,它采取的是在数字域实现幅相加权。与传统天线阵列相比,数字相控阵具有更大的动态范围、容易实现多波束、低损耗、低副瓣,相位控制精度高、易于制造、周期寿命费用低等优点[8-9]。因此,电磁场与无线技术专业的学生有必要对这一先进技术的原理、应用、设计方法等有比较深入的掌握。在数字式相控阵天线的基础上,引入电磁波的极化信息,构成全极化的天线阵列,将进一步显著提升天线系统的性能,因为该系统能够感知电磁波的时域、频域、空域和极化域的全面信息,在电子系统的信号检测、目标识别、电磁兼容、对子对抗等方面的能力均有增强的可能性。在全极化数字式相控阵天线的设计中,双极化天线单元的设计是一个重要的环节。一般来说,相控阵天线单元的个数众多,要求天线阵列具有一定的扫描范围。在全极化天线体制下,天线单元本身需要是双极化的,即提供2个正交的极化通道,能够辐射和感知电磁波的全极化信息[10-12]。因此,根据全极化相控阵天线的安装空间尺寸以及结构装配要求,双极化天线单元需要具有结构简单、易于馈电、体积小、极化端口隔离特性好等性能。

传统的双极化天线主要有双极化振子天线和双极化微带天线等,技术实现手段多样。近年来,出现了一种可以很好实现小型化的天线形式,即介质谐振器天线，介质谐振器天线具有优良的性能[13-15]。介质谐振器天线采用的微波介质材料一般是指微波介质陶瓷材料,微波介质陶瓷是一种新型功能陶瓷,其优点是损耗低、频率温度系数小、介电常数高。介质谐振器天线可采用介电常数数值很大的材料,可以实现天线的小型化。由于介质谐振器的材料的损耗通常非常小,并且没有表面波损耗,除了接地部分外整个表面都会发生电磁波辐射,所以介质谐振器天线的辐射效率一般很高。陶瓷介质材料可设计成多种三维几何形状,方便与集成电路连接。介质谐振器天线的馈电方式简单,馈电方式多样,例如微带线馈电、波导缝隙馈电、同轴探针馈电以及共面波导馈电。介质谐振器天线能够承受比较大的功率,其最大能够承受的功率与天线的激励特性有关；介质谐振器天线适合于在阵列中应用,介质谐振器天线能够激励起各种不同的电磁场模式,产生需要的辐射方向图[16-18]。因此,本文以介质谐振器天线作为全极化相控阵天线的单元设计方案,开展双极化介质谐振器的设计和实验研究工作。本文讨论的以双极化介质谐振器为研究对象的实践教学过程见图1。

图1 双极化介质谐振器天线研究的实践教学过程

2 双极化长方体介质谐振器天线的结构和仿真

长方体形状的介质谐振器天线(DRA)是一种具有基本结构的介质谐振器天线形式,设计灵活、结构简单,适合于实际应用。其基本结构参数包括深度d、宽度w和高度h。当给定介质的介电常数和工作频率时,按照电气性能指标的要求,w/d和w/h的比值可以独立调节,这给设计带来很大的方便。长方体DRA的结构如图2所示。

图2 长方体DRA的结构示意图

在介质谐振器天线的基本设计中,长方体介质的四壁可假设是理想的磁壁,磁场和电场在上下表面都假设为具有连续分布的形式。矩形介质谐振器天线的工作模式有TE模式和TM模式,在实际的应用中,TE模式的激励方式较多。长方体介质谐振器天线支持TEx模式、TEy模式和TEz模式,这些模式的辐射方向图与短磁极子在x、y和z方向上的辐射方向图相似。长方体DRA的谐振频率、带宽、驻波比和辐射方向图等指标参数与天线尺寸参数d、h和w有关。一般情况下,可假设d、h和w之间满足关系式:

(1)

(2)

式中：

(3)

(4)

(5)

(6)

上述的计算模型适用于介质材料的介电常数较低的情况,对于高介电常数的介质材料,需要采用介质波导模型,此时需要将物理尺寸的参数替代为有效尺寸来计算。

本文设计的双极化介质谐振器天线采用同轴电缆探针馈电,微波电缆接头从平台的金属底板底部引出,即为底馈形式,满足主动天线的阵列布局要求。本文采用正交双探针激励介质谐振器天线,在 DRA 中激励出相互正交的场模式,以实现双极化的辐射场。馈电探针位于在介质材料的外表面,探针和介质谐振器是紧密接触的,这种馈电方式不需要在介质谐振器上钻孔,加工简单,在介质高度不小于其他尺寸中最大值的一半时,探针和介质之间可以实现较好的耦合。本文设计的双极化长方体DRA结构模型见图3。本DRA的工作频率为5 GHz。介质的相对介电常数为10.2,选择国产板材；采用三维电磁仿真软件CST对设计的双极化DRA进行优化和仿真,得到的介质谐振器的横截面为正方形,长度和宽度相等,都为12.12 mm,高度为11.4 mm,地板为圆形,直径为60 mm。天线工作波长为60 mm,由于引入了高介电常数的介质材料,天线的尺寸显著减小,实现了小型化效果,这对于组成大型相控阵列是有利的。

图3 双极化长方体DRA的结构模型

3 双极化长方体介质谐振器天线的仿真结果

在本文设计的双极化DRA中,馈电结构是对称的,定义在x轴上的同轴线端口为端口1,在y轴上的同轴线端口为端口2。本文仅给出端口1的仿真结果。仿真得到的端口1的电压驻波比(VSWR)见图4,2个极化端口之间的隔离度见图5。可以看出,4.95 GHz至5.05 GHz的工作频率范围内,本文设计的双极化介质谐振器天线的2个极化端口的电压驻波比都小于2,2个极化端口之间的隔离度(SPM)大于20 dB。因此,该天线的输入端的电路特性同时满足双极化天线的设计要求。但是,该天线的电压驻波比和端口隔离度带宽均较窄,适合于窄带工作情况。

图4 长方体DRA的VSWR仿真结果

图5 长方体DRA的端口隔离度的仿真结果

图6—图8分别为本文设计的双极化长方体介质谐振器天线在3个典型工作频点的辐射方向图的仿真结果,由于馈电端口的对称性,本文在此仅给出端口1的辐射方向图。在每个工作频点上,分别给出了三维增益、三维轴比(AR)方向图以及xoz和yoz面上的二维方向图。本天线的辐射增益在整个工作带宽内大于7 dB,方向图对称性较好,主辐射方向的轴比大于22 dB,满足双极化天线的极化特性要求。在xoz面上,天线的辐射方向图的波束宽度在75°～77°之间；在yoz面上,天线的辐射方向图的波束宽度在73°～74°之间，2个平面内的方向图波束宽度基本一致,且都随着频率升高方向图略微变窄,方向图形状基本是恒定的,适合于阵列扫描条件下的应用。由此可见,本类型天线的辐射方向图具有对称宽波束的性质,适合用作双极化相控阵天线阵列的单元天线。

4 双极化长方体介质谐振器天线的测试

根据设计结果,本文加工了长方体双极化DRA,如图9所示。应用矢量网络分析仪测试了天线端口的电压驻波比和极化端口的隔离度,端口1的电压驻波比和极化端口隔离度的测试结果分别见图10和图11,在5 GHz的电压驻波比约为1.72,端口隔离度约为-22 dB,测试结果与仿真结果基本吻合。

图6 频率4.95 GHz时长方体DRA的辐射方向图仿真结果

图7 频率5 GHz时长方体DRA的辐射方向图仿真结果

图8 频率5.05 GHz时长方体DRA的辐射方向图仿真结果

图9 加工的长方体双极化DRA

图10 长方体DRA的VSWR测试结果

进行了双极化长方体DRA的辐射方向图测试,在3个典型工作频点上的一个极化端口的辐射方向图测试结果见图12—图14。在工作频带内,加工的双极化长方体DRA实现了有效辐射效果,方向图得以形成。测试的方向图对称性较好,在2个正交主平面的波束宽度大于70°,增益大于3.8 dB；在中心频率上,主辐射方向图的交叉极化电平低于-17 dB。测试结果略低于仿真情况,这是由于加工和装配误差、测试系统误差以及测试环境中电磁干扰引起的。但是测试结果反映了电磁仿真的结果,验证了设计的正确性。

图11 长方体DRA的端口隔离度的测试结果

5 结语

全极化相控阵天线由于具有优良的工作性能，越来越获得关注并成为未来天线领域的发展趋势,宽波束小型化的双极化天线单元是全极化相控阵系统设计的关键环节之一。本文提出以双极化介质谐振器天线为相控阵天线单元的设计思路,该天线单元方案具有便于实现天线小型化、结构简单、性能稳定和适合于工程应用的优点。另外，本文以本专业教学改革为背景,探索项目驱动下的实践教学模式,针对小型化、双极化介质谐振器相控阵单元研制的任务,开展创新理论教学、主流技能培训和实际工程设计等方面的创新教学模式。通过双极化介质谐振器天线的设计、仿真、加工和测试工作,验证了介质谐振器天线作为相控阵单元的可行性,实验结果达到了预期的要求,可以为该实际工程应用提供技术参考。

图12 频率4.9 5GHz时的长方体DRA方向图测试结果

图13 频率5 GHz时的长方体DRA方向图测试结果

图14 频率5.05 GHz时的长方体DRA方向图测试结果

References)

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Design of dual-polarized dielectric resonator antenna and teaching practice

Song Lizhong1, Wang Qian2, Zhou Huiyuan1

(1. School of Information and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology (Weihai Campus), Weihai 264209, China; 2. Shandong Institute of Aerospace Electronics Technology, Yantai 264003, China)

It is proposed that a project-driven teaching mode for the dual-polarized phased array antenna is introduced into the Radio Wave and Antenna course, and by means of the scheme design, the electromagnetic simulation and the machining experiment, the practical teaching reform on engineering application is carried out so as to achieve the goal of improving teaching effectiveness. The characteristics and teaching methods of the dual-polarized phased array antenna are described. By taking the design of the dual-polarized dielectric resonator antenna as an example, the electromagnetic simulation and the processing test of the antenna unit with center frequency of 5 GHz are carried out. The research results show that the dual polarized dielectric resonator antenna is a good scheme to realize the dual-polarized phased array antenna unit, providing some useful references for the real engineering application. At the same time, as a new type of the antenna, the dielectric resonator is innovative in the teaching.

dual-polarized antenna； phased array; dielectric resonator antennas; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.018

2017-02-08 修改日期：2017-04-14

哈尔滨工业大学(威海)教育教学改革研究项目(BK201610),航空科学基金项目(20160177005)；国家自然科学基金面上项目(61571154)

宋立众(1975—),男,辽宁沈阳,教授,博士生导师,研究方向为无线技术、电磁场与微波技术、雷达技术.E-mail：songlizhong@hitwh.edu.cn

TN821；G642.0

A

1002-4956(2017)08-0067-07