Y型微带线馈电的圆极化陶瓷介质谐振器天线

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                1  引言     

                         目前，介质谐振器天线因其自身的优势，如尺寸小，重量轻，成本低，辐射效率高，馈电容易等，已被大家广泛地关注。早期，人们集中研究介质谐振器线极化的实现，但由于圆极化在众多场合中的重要应用，尤其是在卫星通讯等各种通讯中的应用，人们才开始将注意力转移到介质谐振器馈电方式[1]，十字型介质谐振器天线[2]，采用寄生贴片[3]以及微扰[ 4]等。
                          
                         本文提出一种高介电常数陶瓷圆柱形介质谐振器天线的设计，利用Y型微带线上两个垂直的开路枝节，调节其宽度和长度，激励起两个正交的模来实现圆极化。通过数值仿真得到最佳的几何尺寸，加工了天线实物样品，对天线的端口反射阻抗、辐射方向图、轴比、增益等参数进行了分析。
                          
                         天线圆极化工作的研究上。至今已有众多实现圆极化的方法，如采用十字交叉口径耦合
                          
                        2  天线设计与分析

                         利用磁壁模型理论，可以得到圆柱形介质谐振器天线的谐振频率。本文选取陶瓷材料（相对介电常数 ），直径D=9mm，高度7.8mm的介质谐振器，可以得到天线的谐振频率在4.25GHz左右。天线结构图如图1所示，采用Y型微带线馈电，利用两个相互垂直的开路枝节激励起两个幅度相等，相位相差 的正交模式，从而实现圆极化。经过参数的优化与分析，得到一组最佳值：Y型馈线的一个短路枝节长度 ，宽度 ;另一短路枝节的长度 ，宽度 。基板采用FR4材料（相对介电常数 ），尺寸为： 。介质谐振器置于基板的正中心。调整微带线馈线的宽度，使之特性阻抗为 。
       

                 

       

               

       

                （a）侧视图

       

               

       

                （b）俯视图

       

                图1  圆极化介质谐振器天线的结构图

                 
                        3  天线的仿真与实验

                         圆极化介质谐振器的实物图如图2所示。圆极化陶瓷介质谐振器天线仿真和实测的反射损耗曲线如图3所示。由图可得，仿真曲线端口反射损失不大于-10dB的频率范围为4.08~4.34GHz,其相对带宽为6.2% ，而实测曲线端口反射损失不大于-10dB的频率范围为4.15~4.44GHz,其相对带宽为6.8%.从中发现，实测曲线比仿真曲线的中心频率偏高，并且 带宽增大。由[5]的理论分析可知，这是由于Y型微带线和介质谐振器之间的空气层所造成的。在仿真中，理想地认为介质谐振器和基板是完全吻合，无空气层，但在实际加工测量时，由于介质谐振器表面的不平以及Y型金属微带线具有一定的厚度导致了基板和介质谐振器之间具有一定厚度的空气层。
                         此空气层会引起介质谐振器相对介电常数的减小，从而导致了中心频率的偏高以及阻抗带宽的增大。此外，由于基板FR4材料具有随温度的不稳定性，在温度发生变化时，FR4板的介电常数会在4.2~4.6之间变化，也会使天线的频率和带宽产生变化。
       

               

       

                （a）未放介质谐振器    （b）放介质谐振器后

       

                图2  天线实物图

       

               

       

                图3  天线的仿真和测试反射损耗曲线

                          
                         图4 给出了圆极化介质谐振器天线的轴比曲线图。可见，Y型微带线馈电介质谐振器天线的轴比带宽为53MHz,覆盖频率范围为4.173 to 4.225GHz，在4.195GHz处为轴比最小值，达到了0.25dB。而实测的轴比频带发生了偏移，，频率覆盖范围从4.187 to 4.237GHz，轴比最小值为0.8dB。由于单馈点实现圆极化的固有缺点，所得到的轴比带宽比较窄。
       

               

       

                图4  介质谐振器天线的轴比曲线图

       

                 

                         图5给出了天线的计算方向图，可见，在两个主平面内，具有较宽的波束，而且具有很好的对称性。该天线在工作频带范围内，增益能稳定保持在5.6dBi以上。
       

               

       

                图5  介质谐振器天线的方向图

                          
                        4  结论

                         本文提出了一种对陶瓷材料的介质谐振器采用Y型微带线馈电实现圆极化的方法。天线的体积小、结构简单，仅由一个半径为4.5mm的圆柱形介质谐振器及 的基板所构成，并且只用通过调整Y型馈线两个开路枝节的长度和宽度，便可以实现圆极化。采用Y型微带线的馈电方法，不仅实现了圆极化，轴比的最低点达到了0.3dB，而且简化了馈电网络，获得了6.8%的阻抗带宽，比采用单根微带线馈电[6]（阻抗带宽为1%）的带宽增大了6.8倍，适用于卫星通信的移动终端。