矩形介質(zhì)諧振天線

1、天線原理課程論文矩形介質(zhì)諧振天線課程名稱： 天線原理 任課老師： 劉成國 姓 名： 嚴(yán)偉國 學(xué) 號(hào)： 1049721301869 2013-2014 學(xué)年 第二學(xué)期矩形介質(zhì)諧振天線Rectangular Dielectric Resonator Antenna前言多年以來，介質(zhì)諧振器都只是被用到微波電路，譬如作諧振腔和濾波器，而且通常作此用途的介質(zhì)諧振器都是由高介電常數(shù)（ ）的材料制成。電路的無負(fù)載Q值一般都在50到500，有的會(huì)高達(dá)10000。因?yàn)檫@些傳統(tǒng)的應(yīng)用，介質(zhì)諧振器多被當(dāng)做一個(gè)能量存儲(chǔ)裝置而不是一個(gè)能量輻射器。盡管開放空間的介質(zhì)諧振器許多年前就被發(fā)現(xiàn)可以輻射能量，但是直到1983年最

2、初的一篇關(guān)于圓柱形介質(zhì)諧振天線的文章發(fā)表后，介質(zhì)諧振器作為一個(gè)天線的想法才開始被普遍接受。那時(shí)人們開始對(duì)100GHz到300GHz的頻段進(jìn)行研究，在這些頻率上，金屬天線的導(dǎo)體損耗變得很嚴(yán)重，輻射效率也顯著降低。但與之相反的是，介質(zhì)諧振天線唯一的損耗是由介質(zhì)材料的一些缺陷造成，這種損耗在實(shí)際中非常小。于是對(duì)介質(zhì)諧振天線的研究開始多了起來。慢慢地，隨著近些年無線通信事業(yè)的飛速發(fā)展，介質(zhì)諧振天線因其易小型化、頻帶寬、輻射效率高、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的青睞。本文對(duì)矩形介質(zhì)諧振天線的介質(zhì)波導(dǎo)分析模型進(jìn)行了介紹，用HFSS（High Frequency Structure Simulator）三維電磁

3、仿真軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于WLAN的微帶線饋電的矩形介質(zhì)諧振天線，并在實(shí)際的微波暗室中進(jìn)行了測(cè)量。1 矩形介質(zhì)諧振天線的介質(zhì)波導(dǎo)模型abayxzb圖1 介質(zhì)波導(dǎo)模型介質(zhì)波導(dǎo)模型如圖1所示，它的橫截面是一個(gè)寬為a（x方向），高為b(y方向)的矩形，波在z方向進(jìn)行傳播。矩形介質(zhì)波導(dǎo)中的場(chǎng)模式可以分為和 模，其中m和n分別表示在x和y方向的半波個(gè)數(shù)?？梢宰黾俣ǎ翰▽?dǎo)內(nèi)的場(chǎng)是正弦變化的，波導(dǎo)外的場(chǎng)是指數(shù)衰減的。另外為了簡(jiǎn)化分析，圖1中陰影區(qū)域部分的場(chǎng)假定為0，實(shí)際中這部分的場(chǎng)是存在的，但比較小，可以近似為0。從無源的麥克斯韋方程組出發(fā)，結(jié)合邊界條件，可以得到x，y，z方向的波數(shù)kx，ky，kz（在矩形波

4、導(dǎo)區(qū)域內(nèi)）和x，y方向的衰減常數(shù) （在矩形波導(dǎo)區(qū)域外）。分別如下： 其中 是自由空間的波數(shù)： ， 是真空中的光速， 是工作頻率， 是真空中波長(zhǎng)。為方便求解，在此基礎(chǔ)上可以做進(jìn)一步的近似，假設(shè)在 和 處介質(zhì)波導(dǎo)是理想的磁壁（也就是在四壁上磁場(chǎng)方向垂直于壁，電場(chǎng)方向平行于壁），再求解可以得到 ， 。為了能夠得到一個(gè)能很好地模擬介質(zhì)諧振天線的模型，再進(jìn)行一步操作，在 軸 處將無限長(zhǎng)的介質(zhì)波導(dǎo)截掉，形成一個(gè)諧振器，并假定 處的邊界條件為理想磁壁，如圖2所示：yxzdba圖2 被截后的介質(zhì)波導(dǎo)模型在此基礎(chǔ)上能夠比較容易地求解出 模式的場(chǎng)分布： 其中： 利用介質(zhì)波導(dǎo)模型可以求出孤立諧振器的諧振頻率。事實(shí)上

5、，在使用過程中還要加上一個(gè)有限大的地平面用來方便給諧振器饋電，所以必須考慮這個(gè)有限地平面對(duì)場(chǎng)分布的影響。這時(shí)介質(zhì)波導(dǎo)模型就不適用了，需要采用數(shù)值方法來計(jì)算場(chǎng)分布，如：矩量法、有限元法、幾何繞射理論等。另外，還要考慮不同的饋電方式（如同軸探針饋電、微帶線饋電等）與諧振器之間的耦合，可以利用洛倫茲互易定理來計(jì)算耦合量，不詳細(xì)講述。2. 微帶線饋電的矩形介質(zhì)諧振天線的仿真與測(cè)量本文仿真了一種微帶線饋電的矩形介質(zhì)諧振天線（還有其他很多種饋電方式如：同軸探針饋電、共面波導(dǎo)饋電等，不詳細(xì)介紹。）并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。其設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示： 基底: 微帶線圖3 微帶線饋電的RDRA的尺寸其中矩形介質(zhì)諧振器的尺寸

6、是： ，使用材料的介電常數(shù)是 。在HFSS建立好的模型如圖4所示：圖4 HFSS中的矩形介質(zhì)諧振天線模型改變諧振器與微帶線的位置，在HFSS中進(jìn)行參數(shù)掃描優(yōu)化，可以得到最優(yōu)的結(jié)果，仿真得到的反射系數(shù)（S11幅度曲線圖，用dB表示）曲線圖如下所示：圖5 反射系數(shù)曲線的仿真結(jié)果實(shí)際測(cè)量的反射系數(shù)曲線圖如圖6所示：圖6 實(shí)際測(cè)量的反射系數(shù)曲線圖這里使用由Agilent生產(chǎn)的型號(hào)為E5072A的網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量S11參數(shù)，掃頻范圍是4-6GHz，能覆蓋所設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振天線的工作頻段。由實(shí)際測(cè)量的的反射系數(shù)的曲線圖和仿真的反射系數(shù)曲線圖能夠看出，實(shí)際測(cè)量中天線在中心頻率有5.2GHz出有11%帶寬，有充足的頻帶資源能夠在WLAN系統(tǒng)中應(yīng)用；二者也能大致地符合起來，盡管中心頻率有一些偏移。矩形介質(zhì)諧振天線仿真的三維增益圖如圖7所示：圖7 天線增益圖仿真結(jié)果從仿真圖可以看出，天線增益最大達(dá)到了7.1，其中紅色區(qū)域?yàn)樵鲆孑^大的范圍，方向性好。實(shí)際測(cè)量的方向圖如圖8所示：圖8 天線實(shí)際測(cè)量方向圖對(duì)比仿真和實(shí)際測(cè)量的方向圖，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真有較大出入，但是仍然具有一定的方向性。實(shí)際測(cè)量的圖中有一個(gè)“裂縫”，是因?yàn)樵跍y(cè)量過程中天線測(cè)量系統(tǒng)在0度和360度都測(cè)量了一個(gè)值，但兩次測(cè)量的值不一樣，事實(shí)上這是同一個(gè)位置。3. 總結(jié)通過天線原理課程的學(xué)習(xí)，我對(duì)天線的各種性能參數(shù)有