基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线

2022-07-02黄叶鑫朱文婷杨玲玲陈建新

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2022年3期

黄叶鑫，朱文婷，杨玲玲,2，陈建新

(1.南通大学信息科学技术学院，江苏南通 226019； 2.南通大学杏林学院，江苏南通 226019)

0 引言

作为实现信号传输与接收的关键设备，频率可重构天线在高性能多射频通信平台中发挥着重要作用，并且受到了研究者的广泛关注[1-5]。到目前为止，已经开发出各种各样频率调谐技术，包括电调谐和机械调谐。前者主要是由半导体二极管或电开关来实现[6-9]，这种调谐机制在操作和技术成熟度方面有着高度的稳健性。然而，它们也会带来许多缺点，例如低辐射效率(由于二极管寄生电阻的损耗)和低功率容量(由于二极管的电击穿)。近年来，利用液态金属、晶体或者微流体的机械调谐是解决这些问题的很好选择。其中，蒸馏水因其价格低廉、容易获取而备受青睐[10-14]，其用法可以分为两类：①是放在容器中的蒸馏水直接用作介质谐振器(dielectric resonator, DR)来作为辐射体[12]；②是通过依次将蒸馏水注入贴片下方的微流体管来改变天线的有效介电常数[13-14]。

八木天线是一种典型的端射天线，具有结构简单、重量轻、方向性强、易于阵列等诸多优点[15-18]，其驱动器通常采用半波长的电偶极子来设计，这不可避免地会带来欧姆损耗，表面电流接近于零的介质谐振器更适合于这种高频应用[19-21]。目前，一款工作在TE1δ1基模下的介质谐振器准八木天线已被研制出来[22]，不仅比传统的准八木电偶极子天线具有更高的增益，而且在X波段具有90%以上的高效率。

本文设计了一种工作在高阶TE3δ1模式下的介质谐振器频率可重构准八木天线。根据TE3δ1模式的电场分布，合理选择贯穿介质谐振器的4个空气孔的位置来加载特氟龙管。通过依次在特氟龙管里注入蒸馏水，可以有效地调节天线的工作频率。仿真结果表明，由于在频率调谐范围内采用了高阶TE3δ1模式，在没有附加引向器的情况下天线仍具有较高的增益(大于8.7 dBi)，同时保持了介质谐振器天线的高辐射效率特点。

1 介质谐振器理论

图1a所示是体积为a×b×h，相对介电常数为εr的矩形介质谐振器3D视图。利用介质波导理论，高阶TE3δ1模式的谐振频率可以描述[23]为

(1)

(1)式中：c为真空中的光速；k0为自由空间波数；kx、ky和kz分别为沿x、y、z方向的波数。

图1b所示为矩形介质谐振器TE3δ1模式的电场分布图。该电场分布图与x-z平面相切，并沿方位角旋转。工作于TE3δ1模式下的介质谐振器在y方向上可以看作3个磁偶极子，可以提高天线的方向性，可以获得更高的增益。因此，工作于高阶TE3δ1模式的介质谐振器可以作为准八木天线设计的驱动器，提高天线的增益。

图1 矩形介质谐振器Fig.1 Rectangular DR

2 天线设计

图2为本文提出的微流体频率可重构准八木天线的结构图。矩形的介质谐振器(相对介电常数为εr=45，厚度h=1.2 mm且损耗角正切tanδ=0.000 19)放在Rogers 4003C(相对介电常数为εr=3.55，厚度t=0.508 mm且损耗角正切tanδ=0.002 7)基板的顶部，通过平衡共面带线进行差分馈电。为了实现共面带线馈电，一对等幅反相的射频信号分别沿着两条金属微带线传输。因此，共面带线馈电和TE3δ1模式的电场分布方向一致，从而可以很好地激励高阶TE3δ1模式。通过调节参数W2,l2和l3，能获得较好的阻抗匹配。与此同时，印刷在底部的介质基板用作反射面以实现端射辐射。本设计中，4个空气孔对称地穿过介质谐振器和基板以加载特氟龙管。通过依次在特氟龙管里注入蒸馏水，可以有效地调节天线的工作频率。

图2 微流体频率可重构准八木天线结构图Fig.2 Structure of the proposed microfluidically frequency-reconfigurable quasi-Yagi antenna

图3为矩形介质谐振器没有空气孔时在TE3δ1模式下的电场分布图。矩形介质谐振器的TE3δ1模式电场与x-z平面相切。采用工作在高阶TE3δ1模式下的介质谐振器作为磁偶极子驱动器，可以获得更高的增益。蒸馏水是一种高介电常数材料(εrw≈81，tanδw=0.04)，可以用来改变介质谐振器的有效介电常数。由于有效介电常数与相应模式的电场有直接的关系[12]，因此将4个特氟龙管沿着x轴方向放置在如图3所示的A、B、B′和A′点，可以获得较大的频率调谐范围。

图3 介质谐振器在TE3δ1模式下的电场分布Fig.3 TE3δ1 mode E-field distribution of the DR

为了更好地研究特氟龙管位置对频率调谐范围的控制，仅使用一对特氟龙管。图4为一对特氟龙管在不同位置下fw/o，fw和Δf的变化曲线(fw/o和fw分别表示管内无水和有水时介质谐振器在TE3δ1模式下的频率，Δf=fw/o-fw代表这两种状态之间的频率调谐范围)。将两个特氟龙管沿x轴方向的中心线(w=0)逐渐分开，他们之间的距离用2b表示。图4a描述了TE3δ1模式的频率相对b的变化趋势。b从1.2 mm开始增大时，Δf随着b增大并且在b=3.3 mm时Δf达到最大值，在b=8.4 mm左右到达下一个峰值。在b=3.3 mm时，两根特氟龙管逐渐从介质谐振器的下边缘向上边缘移动，即w从-3.8 mm逐渐变化到3.8 mm。图4b描述了TE3δ1模式下频率相对w的变化趋势，w=0时Δf有最大值，并且随着w绝对值的增大Δf逐渐减小。从图4可以看出，Δf的变化趋势和介质谐振器在TE3δ1模式下电场强弱的分布情况保持一致。

图4 一对特氟龙管在不同位置下fw/o， fw和Δf的变化曲线Fig.4 Extracted fw/o, fw and Δf curve under different positions of a pair of tubes

为了进一步研究天线的性能，选取不同的参数W2和l3来分析天线的性能。在分析某一参数对性能影响时，其他参数均保持不变。图5和图6分别表示天线在不同的状态下，参数l3和W2对天线性能的影响。从图5a可以看出，当天线工作于0000状态时，结合天线的反射系数以及增益，参数l3的取值为2.2 mm较为合适；图5b中，随着参数W2变小，天线的阻抗匹配随之变好，而其增益相应降低，故选取W2为1.5 mm。根据图6a，结合参数l3对反射系数和增益的影响，参数l3取值为2.2 mm；图6b中，综合考虑参数W2对反射系数与增益的影响，W2取值1.5 mm较合适。

图5 天线0000状态下，l3和W2对天线性能的影响Fig.5 Influences of l3and W2 on antenna performance under the state of 0000

图6 天线1111状态下，l3和W2对天线性能的影响Fig.6 Influences of l3 and W2 on antenna performance under the state of 1111

3 测试结果及其讨论

本文设计的介质谐振器的准八木天线原型的尺寸为：sw=58,sl=56.4,dl=20,dw=7.6,hw=10,b1=3.3,b2=8.4,d1=2,d2=1.5,g=0.8,l1=20,l2=8.8,l3=2.2,W1=1.2,W2=1.5，所有单位皆为mm，图7为实物图片。测试时采用基于延迟线的巴伦天线，注水后的特氟龙管用“1”来描述，反之用“0”。频率可重构天线有4种对称状态，即“0000”，“1001”，“0110”，和“1111”，图8所示为4种状态下仿真和测试的反射系数|S11|曲线。通过依次将蒸馏水注入特氟龙管内，天线的中心频率可在8.695～8.990 GHz进行调谐，如表1所示。同时，测量的带宽(|S11|<-10 dB)、增益和辐射效率均在频率调谐范围内近似为恒定值。值得注意的是，由于将介质谐振器作为驱动器并运用微流体的调谐技术，所提出的天线辐射效率可达90%以上，同时，采用高阶TE3δ1模式，使该天线具有高增益(大于8.7 dBi)。图9为“0000”和“1111”两种状态下E面和H面的辐射方向图，其中实线代表天线仿真结果，虚线代表天线测试结果。结果表明，测试的E面和H面的辐射方向图在端射方向上保持稳定，与仿真结果吻合较好。在±30°波束范围内可观察到交叉极化低于-20 dB且前后比优于10 dB。

表1 天线在4种状态下的测试结果Tab.1 Measured results of the antenna under four states

图7 天线实物照片Fig.7 Photograph of the implemented antenna

图8 天线仿真(实线)和测试(虚线)的|S11|曲线Fig.8 Simulated (solid line) and measured (dash line) S11 of the proposed antenna

图9 天线在不同状态下仿真(实线)和测试(虚线)辐射方向图Fig.9 Simulated (solid line) and measured (dash line) radiation patterns of the proposed antenna under different states

表2总结了本文设计的天线与其他准八木天线性能的比较。结果表明，本文不加引向器的介质准八木天线比文献[24]加一个引向器的金属准八木天线具有更高的增益；本文采用介质谐振器的高阶模式技术，天线增益比文献[22]利用TE1δ1基模的天线高约1.4 dBi；与文献[25]工作于相同TE3δ1高阶模的介质准八木天线相比，本文天线具有频率可重构的优点；与文献[26-27]频率可重构金属准八木天线相比，本文设计的增益更高。