基于微带馈电的介质杆天线设计

　　摘要:设计了一种新型的基于微带贴片馈电的介质谐振器天线.天线的介质杆设计为锥削结构，采用具有嵌入式微带线的圆形贴片进行馈电.通过调节微带线嵌入圆形贴片的深度和宽度，获得较宽的阻抗带宽.天线样品的测试结果与设计仿真结果吻合良好.天线阻抗带宽(|S11|<-10dB)为7.1%(5.73~6.14GHz)，频段内的平均增益超过11.1dBi.在工作频率5.8GHz处，天线的增益达到11.2dBi，相应的口径效率为84.1%.

　　关键词:介质谐振器;增益;口径效率;宽频带;微带线

　　0引言

　　近年来，介质谐振器天线因其自身的优势，如尺寸小、损耗低、辐射效率高等，已被广泛应用于现代无线通信系统中[1-3].但目前大多数的介质谐振器天线通常由高介电常数的材料构成，且介质杆的结构也比较复杂，这不仅增加了天线设计和制作的难度，而且提高了加工成本.介质谐振器天线的馈电方式灵活多样，可采用同轴探针、孔径耦合、共面波导等方式进行馈电，并可激励起多种模式[4-8]，但这些馈电结构会使得天线整体结构笨重，不易于与设备集成.

　　本文提出了一种基于微带贴片馈电的介质杆天线，采用具有嵌入式微带线的圆形贴片对介质杆进行馈电，以获得较宽的阻抗带宽.为了便于加工制作，介质杆采用简单的锥削结构[9]，所用材料选取低介电常数的聚四氟乙烯，降低谐振器的Q值，同时节约了制作成本.通过数值仿真得到天线的最佳几何尺寸，加工了天线实物样品，对天线的端口反射系数、辐射方向图、增益等进行测量分析，实测结果与仿真结果吻合良好.

　　1天线结构设计

　　介质谐振器采用聚四氟乙烯材料，相对介电常数为2.08.将其放置在相对介电常数εr=2.65，长Ls=58.6mm，宽Ws=43.2mm，厚Hs=2mm的介质基板上.介质基板正面为圆形贴片和嵌入式侧馈微带线，背面为全金属.为了使天线的结构更加牢固，介质杆底部增加半径Rs=17.6mm的圆形托盘，并通过尼龙螺钉将其与介质基板固定.

　　2天线参数分析

　　天线的目标工作频率为5.8GHz.天线的谐振频率由圆形贴片半径Rp决定.综合考虑在5.8GHz处|S11|的值以及-10dB阻抗带宽，选取Rp=8.6mm.介质谐振器天线的增益主要取决于介质杆的长度，可通过文献[10]中的公式进行估算G≌M×Ldλ0，式中:G为天线增益;Ld为介质杆长度;λ0为自由空间波长;M是一个随着介质杆长度缓慢变化的比例因子.如果介质杆的长度Ld在3λ0~8λ0之间时，M≈10，当Ld≫λ0时，M≈7.可以明显看出，随着介质杆长度的增加，增益逐渐增大.但考虑到聚四氟乙烯材料在实际加工制作中的难度，且随着介质杆长度的进一步加长，天线的增益变化趋于平缓，最终选取介质杆长度为120mm.

　　3仿真和实测结果

　　对设计的微带馈电介质杆天线进行了加工和测试.实测阻抗带宽(|S11|<-10dB)为7.1%(5.73~6.14GHz).实测曲线比仿真曲线的中心频率略高，而且阻抗带宽增大，这主要是由于馈电圆贴片和介质杆之间的空气层造成的.由于介质杆底座与基板不可能完全贴合，空气层会使得介质谐振器的相对介电常数降低，从而导致中心频率偏移以及阻抗带宽增大.

　　仿真和测试的天线辐射方向图，在5.8GHz工作频率下H面的测量和仿真方向图吻合良好，E面实测旁瓣略大于仿真结果，主要是由于侧馈SMA接头以及焊点产生的额外辐射引起的.

　　4结论

　　本文提出了一种基于微带馈电的介质杆天线，采用低介电常数的聚四氟乙烯材料制成，并且具有简单的锥削结构，通过圆形微带贴片馈电.由建模数值仿真确定最优参数值并加工出实物.测量结果表明，天线的阻抗带宽为7.1%(5.73~6.14GHz)，旁瓣电平为-17.3dB，工作频率5.8GHz处增益达到11.2dBi，具有良好的性能和广阔的应用前景.

　　参考文献:

　　[1]ChungJY，ChenCC.Two-layerdielectricrodantenna[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation，2008，56(6):1541-1547.

　　[2]魏峰，史小卫.介质谐振天线的发展[J].电子科技，2003，23:30-32.WeiFeng，ShiXiaowei.Developmentofdielectricresonantantenna[J].ElectronicScienceandTechnology，2003，23:30-32.(inChinese)

　　[3]MongiaRK，IttipiboonA，CuhaciM.Measurementofradiationefficiencyofdielectricresonatorantennas[J].IEEEMicrowaveandGuidedWaveLetters，1994，4(3):80-82.

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　　[5]KazemiR，FathyAE，SadeghzadehRA.Dielectricrodantennaarraywithsubstrateintegratedwaveguideplanarfeednetworkforwidebandapplications[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation，2012，60(3):1312-1319.

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