介质谐振器与锥形反射器组合宽带高增益天线的设计

张嘉文 ,于 兵

(1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044)

随着微波器件不断发展,对于天线小型化、宽频带、低损耗等性能提出了更高的要求[1-3]。微带天线由于在高频段金属欧姆损耗高和天线几何尺寸较大的问题,其发展和应用随着工作频率升高而愈加困难[4-5]。介质谐振器天线由于其辐射单元不存在金属损耗,天线辐射效率较高(高于95%),受到了广泛关注和研究[6-8]。

现代通信系统传输速率需求进一步提高,要求部署工作在高频段的天线进行通信。随着天线工作频率升高,现阶段研究的各种金属天线由于趋肤效应导致导体电阻增加,使得损耗功率增加,用于通信信号的天线功率急剧降低,同时使得整个系统产生了更多的热损耗,增加了系统散热的难度。因此传统金属天线很难再满足现代通信系统需求。

同时现代通信系统需要天线可以在较宽的频率范围进行工作,以满足众多无线通信频段。国内外的研究人员对DRA 扩展带宽的方法进行了广泛研究。文献[9-15]分别采用了在辐射单元介质谐振器(DR)引入空气缝隙、天线阵列、使用分型几何结构等方法来增加DRA 带宽,但对DR 进行切割引入空气缝隙后会导致天线增益急剧降低和辐射方向图性能下降,而使用天线阵列会增加加工难度,同时不利于小型化。上述文献方法虽都在一定程度上扩展了DRA 天线带宽,但是存在辐射性能降低、加工困难以及难以小型化等问题;传统的DRA 增益一般在4～7 dB,上述文献为了提高DRA 增益而采取的方法,大多会降低天线带宽和辐射性能。如何保证DRA 辐射性能良好的同时,进一步提升天线带宽,仍然需要深入研究。

本文针对现阶段DRA 存在的问题进行了大量的研究试验,提出了采用阶梯状的DR 进行堆叠的方式扩展DRA 带宽。通过十字交叉DR 堆叠的方式将DRA的增益提高到了9 dB,通过增加金属锥形反射器可进一步将天线增益增加到15.3 dB。所提出的方案在保证DRA 辐射性能的同时,降低了DRA 加工难度,便于天线小型化,保证天线良好的辐射性能,并进一步提高了天线增益。

1 天线的设计

1.1 宽带DRA 的设计

介质谐振器天线是一种谐振式天线,由低损耗微波介质材料构成,它的谐振频率由谐振器尺寸、形状和相对介电常数所决定。矩形DR 谐振频率主要由其长度Ld、宽度Wd和高度Hd等尺寸决定[16-18]。

式中:c为真空中的光速;εr为DR 的介电常数。

通过公式(1)～(3)可以计算出工作于TEmnp模式下矩形DR 谐振频率对应Ld、Wd和Hd的长度。但传统矩形DR 相对带宽只有15%左右,单个矩形DR 只能工作在有限的频率范围,由单个DR 形成的窄带DRA无法满足现代通信宽频带需求。为了扩展传统矩形DR带宽,提出了将多个宽度(W)和高度(H)相同、长度(Li,i=1,2,3,…)不等的矩形DR 进行立体堆叠。设计采用宽度相同的DR,这样可以使得同轴探针能直立耦合馈电。这种设计使得每个介质谐振器工作在TEmn0模式,通过改变介质谐振器的Ld和堆叠DR 的高度,改变天线不同谐振模式,获得不同谐振频率。通过将多个不同长度的DR 进行立体堆叠,使得单个DRA 获得了多个谐振点,扩展了天线带宽。如图1 所示,在z轴方向堆叠不同尺寸的DR(εr=9.8)形成阶梯状DRA。3 个不同大小的DR 按DRi(i=1,2,3)由下往上立体堆叠形成阶梯DR,其具体尺寸如表1所示。

图1 多层DR 堆叠的DRA 结构示意图Fig.1 The structure of stacked-DRs’ DRA

表1 3 个矩形DR 的尺寸Tab.1 The dimensions of three rectangular DRs

为了验证宽带DRA 的设计,通过HFSS 软件对三组堆叠了不同DR 的DRA 进行了仿真,仿真结果如图2 所示。从图2 可以看出,单个DR1 形成DRA 带宽(S11参数-10 dB 以下)为15.98～18.15 GHz,阻抗带宽百分比为13.1%;DR1 和DR2 组成的DRA 工作带宽为12.53～18.85 GHz,阻抗带宽百分比为38.6%;DR1、DR2 和DR3 形成DRA 的带宽为10.51～17.85 GHz,阻抗带宽百分比为48.1%。结果表明,堆叠多层高度、宽度相等而长度不等的相同介电常数的DR可以使得重新组合的DR 形成不同的谐振模式TEmn0。堆叠DR 形成的DRA 可以工作在多个临近谐振点,多个谐振点形成了更宽的频带,提高了天线的阻抗带宽。

图2 多层DR 堆叠的DRA 的S11参数Fig.2 S11 parameters of multiple DR stacked DRA

多层DR 堆叠DRA 采用同轴探针馈电方式,探针紧靠DR 层(如图1 所示)。这样的设计可以很好地将能量耦合到DR 层中,此时同轴探针的长度会影响DR截止频率。通过HFSS 软件对不同的探针长度hp时,DRA 对应的S11参数进行了仿真。图3 为hp分别为1～6 mm 时所对应的S11参数。从图3 可以看出,当hp在2～4 mm 时,天线具有较好的宽带特性,而超出这个范围时,天线只有窄带特性。这是因为当hp小于2 mm时,同轴探针高度小于DR1 和DR2 叠加高度,无法将能量耦合到DR1 和DR2 中,所以无法激励形成多种TEmn0谐振模,天线只能呈现窄带特性。而同轴探针hp大于4 mm 的时候,无法激励DR 层所对应的频率(此时同轴探针高度增加,可激励的频率降低),所以无法将能量很好地耦合到DR 中,从图3 中也可以看到堆叠DR1、DR2 和DR3 的DRA 在10～18 GHz 为截止状态(S11均高于-10 dB)。

图3 不同hp值对应的S11参数Fig.3 S11 parameters with different hp values

1.2 高增益DRA 的设计

单个DR 组成的DRA 主辐射方向沿z轴正方向。要使得三层堆叠的DRA 具有同样主辐射方向,设计将三个DR 沿着矩形长边的中线进行堆叠,而且按照从小到大的顺序进行排列,使得天线的辐射可以更加集中到z轴的正向,从而达到了增加DRA 增益的目的。

图4 为多层十字形DR 堆叠的DRA 结构示意图,将多层堆叠DR 的DRA 十字交叉组合。十字阶梯状DR 放置于相对介电常数为4.4 的FR-4 介质板上,介质板的长度L和宽度W为40 cm,厚度为0.8 mm。设计的DRA 通过同轴探针的方式进行馈电,同轴探针紧贴着矩形DR 十字交叉的位置,从而使得能量可以很好地耦合进入DR 内,FR-4 介质板背面覆盖有矩形的金属地,通过对矩形地进行切角处理,使得天线可以更好地进行阻抗匹配。

图4 多层十字形DR 堆叠的DRA 结构示意图Fig.4 The structure of multi-layer cross stacked-DRs’ DRA

上述十字阶梯状DR,增加了天线的辐射单元(DR)面积,此时的DR 下小上大的倒台阶形状,增加了天线的增益,使得DRA 既可以工作在较宽的频带,又保证了天线的辐射性能,同时增加了天线的增益。此时十字状DR 形成的DRA 增益达到9 dB(传统矩形DR 增益一般在4～7 dB)。

1.3 高增益DRA 与锥形反射器的组合设计

本文提出了一种将锥形反射器结合上述DRA 的方式来增加天线增益。锥形反射器可以很好地将DR 的辐射能量进一步聚集在z轴的正向,从而提高DRA 增益,图5 为增加锥形反射器的DRA 结构示意图。如图5 所示,在介质基板上放置了一个下口径长度为Wd,上口径宽度为Ld,高度为Hd的具有一定厚度且中空的金属锥形反射器。

图5 增加锥形反射器的DRA 结构示意图Fig.5 The structure of adding a conical reflector to the DRA

将锥形反射器和DRA 进行组合后,锥形每个面与z轴形成的角度设为α(tanα=(Ld-Wd)/(2Hd)),α取值对天线增益的影响也是不同的。多层堆叠的矩形DR 与z轴形成的夹角设为β(tanβ=Li/(2hp)),当α与β相同的时候,即tanα=tanβ时,增加锥形反射器的DRA 增益达到了最大。结果表明,通过合理地设计锥形反射器的角度可以得到理想的锥形反射器和DRA 的匹配。

图6 为十字状DRA 有无金属锥形反射器的增益对比图。从图6 可以看出,天线在无金属锥形反射器的时候,天线增益不高于9 dB,在增加金属锥形反射器后,天线增益/频率曲线形状未发生较大的改变,但增益进一步提高,增益最高可以达到15 dB,天线具体参数见表2。

图6 十字状DRA 有无金属锥形反射器的增益对比图Fig.6 Cross-shaped DRA gain contrast with or without metal conical reflector

表2 天线的具体尺寸参数Tab.2 The dimensions of DRA mm

2 天线的测试和分析

天线实物图如图7 所示。为了验证所提出宽带高增益DRA 的实测性能,使用安捷伦矢量网络分析仪E8363C 测量其S11参数,结果如图8 所示。从图8 中可以看出,天线中心频率为15.25 GHz,在工作频率11.59～18.92 GHz 范围内,天线阻抗带宽百分比为48%。测量与仿真结果整体吻合良好,但在三个谐振点处存在一些误差,主要是因为DR 的材料为Al2O3陶瓷,杂质含量不同的Al2O3陶瓷介电常数有一定的差异,同时在天线加工过程中也存在一些误差。天线在实际测量中在17～19 GHz 产生了两个谐振点,这可能是因为DR 的Al2O3含量不均匀导致的。

图7 天线实物图Fig.7 The photo of the DRA

图8 DRA 的S11参数仿真及测试对比Fig.8 The simulation and test S11 parameter of DRA

在微波暗室中对天线增益进行了测试,图9 为天线在10～20 GHz 所对应增益曲线图,从图中可以看到,天线在中心频率处的最高增益为15.3 dB,在工作频率(11.59～18.92 GHz)范围内天线的增益不低于10 dB,远高于传统DRA 增益,天线在工作频率范围内的辐射性能良好。天线的仿真和测试结果吻合,测试结果很好地验证了仿真结果。

图10 为天线在11.5,13.5,15.5,17.5 GHz 处E面和H 面天线增益曲线图,从图中可以看到天线具有较低旁瓣,天线辐射性能得到了很好的保证,同时图10 的4 个频点处E 面和H 面对应的增益与图9 中曲线上频点对应的增益相吻合,进一步映证了图9 的结果。

图9 DRA 的仿真及测试增益对比Fig.9 The comparison of simulation and test gain of DRA

图10 DRA 在11.5,13.5,15.5,17.5 GHz 处E 面和H 面增益曲线图。左侧为E 面,右侧为H 面Fig.10 DRA gain curves of plane E and plane H at 11.5,13.5,15.5 and 17.5 GHz (E-plane on the left,H-plane on the right)

3 结论

本文首先提出通过堆叠矩形DR 的方法扩展天线带宽。然后,提出一种十字阶梯状的DRA 设计思路,两组堆叠DR 采用了中心旋转对称的组合方式,既保证DRA 具有良好的辐射辐射性能,又增加DRA 辐射面积。最后,通过金属锥形反射器和DRA 组合的方式,提升天线增益。通过实验测试,天线百分比带宽为48.2%,天线增益达到15.3 dB,结果和仿真结果吻合度较高,验证了提出的设计方案。同时,结合天线的方向图可以看到天线的辐射性能在工作的各个频点性能良好。上述方法较好地解决了现阶段宽带DRA难以保证辐射性能的问题。