一种圆极化毫米波介质谐振器天线阵列*

郭瑾昭，赵建平，赵 敏，吴思雨，徐 娟

（曲阜师范大学，山东 曲阜 273165）

0 引 言

随着无线通信技术的发展，毫米波由于其具有宽带宽、窄波束以及穿透强等特点，在通信、雷达以及医疗等各个领域得到了广泛应用。而在毫米波通信中，必不可少的毫米波天线得到了人们的高度关注。常用的毫米波天线有介质谐振器天线、微带天线以及喇叭天线等。

介质谐振器天线（Dielectric Resonator Antenna，DRA）具有尺寸小、重量轻、成本低、辐射效率高以及馈电容易等特点[1]。介质谐振器一般用高介电常数的材料制成。在毫米波段，金属天线的导体损耗大大降低了天线的辐射效率，而DRA不存在导体和表面波损耗，自身的介质损耗小，具有较高的辐射效率，因此介质谐振器天线在毫米波段得到了广泛应用[2]。研究发现，单个介质谐振器单元的增益较小，因此在合理排列的情况下，多个介质谐振天线单元可以组成阵列，以获得定向的辐射方向图和更高的增益[3]。

为了建立良好的星地通信链路，大多数卫星通信和导航定位系统都采用圆极化形式。介质谐振天线通过产生极化方向正交、幅度相等以及相位差90°的2个线极化波[4]实现圆极化。现阶段，圆极化已成为介质谐振器研究领域的热点问题。

本文提出了一种微带馈电的4单元圆极化介质谐振器天线阵列，设计了一种非均匀的微带馈线网络，通过非均匀的激励控制天线的辐射旁瓣，以获得更高的增益和方向性。在高介电常数的情况下，通过在圆柱形介质谐振器中心挖正交矩形槽的方式实现天线的圆极化。

1 圆柱型介质谐振器原理

假设圆柱形介质谐振器表面为理想磁壁，则沿z轴方向的TE波和TM波的方程表示为[5]：

其中Jn是第一类贝塞尔函数，有：

式中a为圆柱形介质谐振器的半径，h为介质谐振器的高度。

天线在实际应用中通常工作于基模TM110模，基模的谐振频率最低，谐振频率为：

基模的波函数为：

2 天线阵列设计与结果

介质谐振器天线阵列模型如图1所示，谐振腔选用介电常数εr1=37的某种材料，其半径a=0.178 mm,高h1=0.143 mm。介质基板采用介电常数εr2=2.2的Rogers 5880，天线的整体尺寸为1.934 mm×2.917 mm×0.041 9 mm。通过在谐振器中心挖两个相互正交的矩形槽，实现天线的圆极化性能[6-8]。为减小天线辐射的旁瓣，采用非均匀分布的开路微带馈线网络，微带线各支路的能量分布取决于各支路的阻抗[9]。微带馈线在端口处和开槽处阻抗为50 Ω（W1），λ/4阻抗转换器的阻抗为35 Ω（W2）；W3段的阻抗为86 Ω，用于实现非均匀的激励；为实现各段微带线之间的匹配，W4段阻抗设置为66 Ω。使用同轴探针对微带线端口进行馈电。为减小各单元间的互耦，单元间距采用λ/2。

图1 介质谐振器天线阵列模型

利用电磁仿真软件HFSS对天线参数进行优化处理，得到一组最优的天线参数如表1所示。

表1 天线参数

介质谐振器天线阵列的回波损耗如图2所示。从图2可以看出，回波损耗S11≤-10 dB的频率范围为147.14～153.82 GHz，阻抗带宽为6.68 GHz，相对带宽为4.45%。圆极化天线阵列的轴比曲线如图3所示，轴比小于3 dB的频率范围为147.80～152.20 GHz，轴比带宽为4.4 GHz，且最小轴比能够达到0.47 dB。

图2 天线阵列回波损耗曲线

图4和图5分别给出了介质谐振器天线阵列的2D和3D辐射方向图，可以看出天线的增益约为11.379 dB且旁瓣较小，能够实现较高的增益和较好的方向性。

图3 天线阵列轴比曲线

图4 天线阵列的2D方向图

图5 天线阵列的3D方向图

3 结 语

本文设计了一种工作在毫米波段的圆极化介质谐振器天线阵列，天线的工作频率较高，因此天线的整体尺寸较小。通过对介质谐振器进行挖槽的方式实现了圆极化性能，并通过设计非均匀馈电网络达到降低天线辐射旁瓣的目的。仿真结果表明，S11≤-10 dB的相对带宽为4.45%，圆极化的轴比带宽为4.4 GHz，最小轴比可达到0.47 dB。天线阵列实现了11.379 dB的高增益辐射，可应用于未来的毫米波通信系统。