超寬頻介質(zhì)諧振器天線

1、在豎直平面邊緣安裝寬邊模式的超寬帶陶瓷諧振器天線 摘要：一種新型的根據(jù)寬邊輻射設(shè)計(jì)的便攜式陶瓷諧振器天線（DRA）有待為超寬帶無(wú)線移動(dòng)應(yīng)用和窄脈沖傳感器的乳腺癌檢測(cè)提供幫助。該天線發(fā)送寬邊輻射。在豎直平面邊緣安裝實(shí)心距形陶瓷諧振器，總天線的用量要比在水平地面少。寬阻抗匹配帶寬已經(jīng)獲得實(shí)現(xiàn)。另外，實(shí)心距形陶瓷諧振器天線的改進(jìn)版（一個(gè)A型諧振器的兩邊）可以提供與帶寬相合度達(dá)93%的更寬阻抗，它有良好的寬帶輻射特性且質(zhì)量小。通過(guò)參數(shù)分析對(duì)兩種天線進(jìn)行比較，改進(jìn)后的天線測(cè)試結(jié)果和估計(jì)值吻合。1. 簡(jiǎn)介提高帶寬和天線微型化是天線工程設(shè)計(jì)的重要技術(shù)。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，許多天線工程師們一直試圖設(shè)計(jì)擁有良好寬帶

2、性能的寬帶小天線，DRA是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。自從1983年首次提出陶瓷傳感天線的應(yīng)用， DRA以其高輻射效率、低損失率、尺寸小、質(zhì)量輕等突出特性，20年來(lái)一直都是活躍的研究領(lǐng)域。而且，DRA有高度的設(shè)計(jì)靈活性，是高效率和低成本應(yīng)用的最佳選擇。 過(guò)去為了提高帶寬進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。DRA寬帶研究首次由Kishk通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出，將兩個(gè)不同的DRA疊加形成一個(gè)25%的阻抗帶寬諧振系統(tǒng)。此后，研究者提出了很多提高帶寬的方法。利用DR結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，各種幾何形狀的DRA，如圓錐形、橢圓形、四面體、井形、樓梯和H型應(yīng)用于提高帶寬技術(shù)中。DRA和地面天線之間的空隙可以進(jìn)一步提高帶寬。一個(gè)多層的DRA可用于提高帶寬，

3、加載陶瓷諧振器。由于DR顯著影響輻射的共振頻率和相關(guān)的耦合機(jī)制，提供如下幾種DRA：T-DRA、L-DRA、V-VRA。通過(guò)使用上述提高帶寬的技術(shù)，25%-67%的DRA帶寬是寬帶輻射模式。單極帶寬輻射模式比寬邊型要容易實(shí)現(xiàn)，以前在環(huán)形DR前加載一個(gè)單極模型來(lái)提高帶寬。近來(lái)，一些文章提出豎直平面內(nèi)DRA模型以獲得全方位格局。然而，它們之中沒(méi)有寬帶模式的DRA,也沒(méi)有哪個(gè)獲得了UWB所需的帶寬。這里，我們介紹一種新型的DRA設(shè)計(jì)，DR是安裝在豎直平面邊緣的寬帶輻射模式，跟單極帶寬輻射模式不同。而且，我們提出的這種新型的豎直平面模型，從理論上講天線總體積可以減少75%，總質(zhì)量也輕得多。詳細(xì)分析見(jiàn)H

4、FSS。2. 天線布局圖1所示為提出的DRA的演變進(jìn)程。1.a圖所示為被條形激勵(lì)源激勵(lì)的矩形DRA。被條形激勵(lì)源激勵(lì)的DRA被記錄下來(lái)，由于不對(duì)稱結(jié)構(gòu)和高階模式的影響，在E-平面模式下的一些變形，可以在高頻段觀察得到。1.b圖所示為安裝在豎直平面邊緣的矩形DRA，如圖安裝DR比圖1.a所用天線減少，該結(jié)構(gòu)可以提供與帶寬匹配的寬阻抗。然而，這種結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)與1.a圖中觀察到的E-平面模式下高頻段尾部類似的不對(duì)稱性。DRA的尺寸是14mm寬，18.3mm長(zhǎng)，5.08mm厚度，其介電常數(shù)為10.2，且它由一個(gè)30*30 mm2的、介電常數(shù)為2.94、厚度為0.762mm的RT6002基片所支撐。水平

5、面投影到基片處于DRA下面，水平面的大小是11* 30 mm2，線的阻值大約為50歐姆，匹配電壓器的長(zhǎng)度為（Lg-LF1）。剩下的天線部件如圖2所示。3. 數(shù)字調(diào)查數(shù)字調(diào)查十分重要，因?yàn)樗蛱炀€工程師提供了一些對(duì)天線特點(diǎn)的理解，對(duì)我們的天線研究有幫助。首先，我們展示了如何提高E-平面削減寬闊面輻射模式。即便圖二的結(jié)果可以從2007的IEEE天線及傳播會(huì)議中找到，它完全沒(méi)有提到改進(jìn)E-平面削減模式的溝效應(yīng)。我們通過(guò)其他方式進(jìn)一步改進(jìn)輻射模式。其次，我們就帶寬問(wèn)題研究了一些參數(shù)，從而了解我們理想的DRA的特性。其三，我們比較了H-平面削減模式以及我們理想類型和平坦類型的垂直水平面的交叉極化等級(jí)的效

6、果。同樣要指出的是，理想類型的物理性能強(qiáng)，在被植入絕緣基片時(shí)可能不需要任何黏合劑，只需在DRA表面沾一點(diǎn)點(diǎn)膠水即可黏在基片上。平面類型則需要在基體表面涂上黏合劑。許多寬闊面模式的DR天線在電流探測(cè)時(shí)活躍，其寬闊面模式趨于畸形。由于高階模式的存在，在中高頻帶出現(xiàn)輻射模式的變形。在E-切面輻射模型，因?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)的單極電子探針激勵(lì)，出現(xiàn)離天線軸線40。大傾角，也激發(fā)更高階的模式。圖3顯示在E-切面輻射模式下三角DR在8和9GHzd的削減。與平面豎直模型（將DR放在陶瓷基片上）下的情況相比，它們都包含非常小的交錯(cuò)偏差，下文將要論述。如前文所述，在E-切面輻射模式下，沒(méi)有裂縫的三角DRA有一個(gè)40。的

7、偏角，在8GHz時(shí)有30。的回差。在E-切面輻射模式下，由于帶寬高頻處有使它們?cè)趯掃叿较虺霈F(xiàn)不對(duì)稱，從而造成不能接受的的變形。所以我們介紹一個(gè)有裂縫的DR和平面邊緣增強(qiáng)相反方向的電場(chǎng)來(lái)平衡兩邊。然而，由于其他高階模式的需要，仍然存在大約50。的偏差。我們注意到該裂縫在需要的方向上有一定程度的熱量循環(huán)，但是還不足以彌補(bǔ)該困難，因?yàn)樗患m正了單極效應(yīng)。我們觀察DR的場(chǎng)分布并且發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)間的一些場(chǎng)可以影響輻射模式。因此，我們將電介媒質(zhì)從這些點(diǎn)中移走，為的是改變這些模式的回響頻率使其遠(yuǎn)離我們感興趣的而且構(gòu)造很好的高階場(chǎng)分布代替不規(guī)則的高階場(chǎng)分布。另外，該中心的窄部分由8GHz的強(qiáng)場(chǎng)分布。這對(duì)改進(jìn)對(duì)稱（平

8、衡）E-切面有幫助。在9GHz，即使在中心的窄部分仍然有強(qiáng)場(chǎng)分布，最大的強(qiáng)場(chǎng)分布的位置由于移動(dòng)的點(diǎn)略往右邊移了。這輕微的影響了E切面。修改后的幾何形狀如圖4所示。這個(gè)修改后的幾何形狀有兩個(gè)開(kāi)放的通道安裝在一個(gè)地平面垂直邊緣。使用矩形DR中標(biāo)注的相同參數(shù)。WW= 6mm，WL1=WL2=6.7mm，LD1=LD2=9.15mm， FL1=5.4mm， FL2=13mm。圖5所示的是裂縫的效果和8、9GHz的E-切面的輻射模型。這些圖可以與圖3對(duì)比，E平面的DR輻射模型有兩個(gè)切面提供了正確的模式變形，因?yàn)檎糠趾椭行牟糠值膹?qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)平衡的DR電場(chǎng)分布正如圖6所示的那樣。而且，它可以很簡(jiǎn)單的表示

9、一個(gè)小的裂縫有助于A-型 DRA的高指標(biāo)的E-平面輻射模型。圖7對(duì)比矩形DRA和修改后DRA的反射系數(shù)，它有兩個(gè)切面，安裝在地平面垂直邊緣。當(dāng)矩形DRA安裝在地平面垂直邊緣提供了84%的阻抗匹配帶寬，而有兩個(gè)切面并且安裝在地面垂直邊緣的DRA提供了更寬的達(dá)到93%的阻抗匹配帶寬。這表明我們通過(guò)陶瓷裂縫估計(jì)或改變高階模式，裂縫作為一個(gè)諧振器或者提供一個(gè)在高頻帶的帶缺口(8.5 GHz 到9.5 GHz)。圖8和9顯示了地面對(duì)安裝在豎直平面邊緣的DRA的地面效應(yīng)。眾所周知超寬帶平面單極天線的本身就有其不平衡性，電流既分布在地平面也分布在輻射體中，所以地平面的尺寸和地面與輻射體的之間的距離影響天線的

10、性能。圖8所示為地面對(duì)DRA的空中反射系數(shù)。我們提出的UWBDRA反射系數(shù)受地面尺寸的變化波動(dòng)小。但地面尺寸影響低頻段的分布。圖9所示為保持DRA的總尺寸時(shí)，地面與DR之間的距離對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。與UWB天線比起來(lái)，地面與DR之間的距離對(duì)獲得好的阻抗匹配效果影響不明顯。實(shí)驗(yàn)顯示，由多種材料復(fù)合的DRA能提高帶寬。作為基片，陶瓷系數(shù)為2.94，DR是DRA的一部分，我們研究基片尺寸的影響。圖10顯示，基片尺寸沒(méi)有影響。另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是DR和激勵(lì)源之間的有效耦合可以通過(guò)選取匹配變壓器的長(zhǎng)度和寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖11和圖12所示為匹配變壓器對(duì)安裝在豎直平面邊緣的DRA的影響。匹配阻抗對(duì)匹配變壓器的長(zhǎng)度和寬度變

11、化非常敏感，特別是在高頻段。我們可以發(fā)現(xiàn)地面和基片的尺寸影響基本可以忽略不計(jì)，地面和DR之間的裂縫對(duì)獲得匹配阻抗影響也不大。然而，合適的匹配變壓器長(zhǎng)度和寬度對(duì)獲得好的匹配阻抗非常重要。采用平面模式的一些DRA沒(méi)能達(dá)到UWB或?qū)拵л椛淠Ｊ降囊?。DRA的結(jié)構(gòu)，其中有垂直地平面的，平面安裝型（把DR直接放在陶瓷基片上），也有要求將DR粘接在基片上的。圖13是所給豎直平面模型DRA的側(cè)視圖。圖14將該模型DRA的反射系數(shù)進(jìn)行比較。由圖13我們可以看出平面型的DRA基片厚度要比我們提出的厚些，其共振頻率與我們的模型有偏移。還要說(shuō)明的是，由于寬邊輻射特性的影響，DRA所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果沒(méi)能得到別人的證實(shí)。

12、圖15顯示E-平面在工作頻率范圍內(nèi)的最大交叉極化水平。從圖中可以看出垂直平面的平面模型的交叉極化水平比提出的安裝在豎直平面邊緣的水平要高出5到10dB。而且，H-面模式輻射由于天線的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)不具有對(duì)稱性，而現(xiàn)在提出的H-面輻射模型具有對(duì)稱性。4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖16為安裝在豎直平面邊緣的有兩個(gè)開(kāi)口的DRA原型圖片。數(shù)據(jù)是由網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8510c所得。圖17為模擬和實(shí)測(cè)匹配系數(shù)。的帶寬反射系數(shù)為-10dB，測(cè)量從3.685 GHz至9.96 GHz頻段的92%帶寬。而且可以看出反射系數(shù)為-15dB時(shí)可以提供77%的帶寬。DRA的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式通過(guò)模擬仿真得到了測(cè)量和證實(shí)。圖18描繪了在三個(gè)不同頻率

13、的輻射模式的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果。該天線往一個(gè)方向輻射。我們可以觀察到輻射模式仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，還有寬邊方向輻射的對(duì)稱性。圖19顯示隨頻率變化的天線增益和天線的估計(jì)和測(cè)量效率。應(yīng)該提到的是，查爾穆斯理工大學(xué)回響室中天線效率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是用比以往實(shí)驗(yàn)提供的更小的頻率通過(guò)滑動(dòng)平均處理所得。天線效率的計(jì)算公式是輻射效率乘以。估算天線效率是基于有損和無(wú)損天線的HFSS仿真計(jì)算器。天線輻射效率的計(jì)算就是指向性天線增益率，這是百分百的無(wú)損情況。當(dāng)然，這樣計(jì)算的結(jié)果數(shù)值偏高，因?yàn)閿?shù)值收斂問(wèn)題沒(méi)能解決。因此，我們考慮無(wú)損情況下出現(xiàn)的錯(cuò)誤并且校正有損情況下的錯(cuò)誤。在可用的頻率范圍內(nèi)實(shí)測(cè)的天線效率與估計(jì)的天線效率吻合。天線獲得了寬帶中大于百分之九十五的天線效率。此外，在可實(shí)施的頻段天線增益持續(xù)增加。5. 結(jié)論 安裝在垂直于地面邊緣的矩形DRA因?yàn)槠鋵掃呡椛淠Ｊ綉?yīng)用于無(wú)線移動(dòng)應(yīng)用和窄脈沖傳感器。與水平于地面的DRA相比，這種