矩形介质谐振天线

1、天线原理课程论文矩形介质谐振天线课程名称： 天线原理 任课老师： 刘成国 姓 名： 严伟国 学 号： 1049721301869 2013-2014 学年 第二学期矩形介质谐振天线Rectangular Dielectric Resonator Antenna前言多年以来，介质谐振器都只是被用到微波电路，譬如作谐振腔和滤波器，而且通常作此用途的介质谐振器都是由高介电常数（ ）的材料制成。电路的无负载Q值一般都在50到500，有的会高达10000。因为这些传统的应用，介质谐振器多被当做一个能量存储装置而不是一个能量辐射器。尽管开放空间的介质谐振器许多年前就被发现可以辐射能量，但是直到1983年最

2、初的一篇关于圆柱形介质谐振天线的文章发表后，介质谐振器作为一个天线的想法才开始被普遍接受。那时人们开始对100GHz到300GHz的频段进行研究，在这些频率上，金属天线的导体损耗变得很严重，辐射效率也显著降低。但与之相反的是，介质谐振天线唯一的损耗是由介质材料的一些缺陷造成，这种损耗在实际中非常小。于是对介质谐振天线的研究开始多了起来。慢慢地，随着近些年无线通信事业的飞速发展，介质谐振天线因其易小型化、频带宽、辐射效率高、设计灵活等优点受到了人们的青睐。本文对矩形介质谐振天线的介质波导分析模型进行了介绍，用HFSS（High Frequency Structure Simulator）三维电磁

3、仿真软件设计了一个可用于WLAN的微带线馈电的矩形介质谐振天线，并在实际的微波暗室中进行了测量。1 矩形介质谐振天线的介质波导模型abayxzb图1 介质波导模型介质波导模型如图1所示，它的横截面是一个宽为a（x方向），高为b(y方向)的矩形，波在z方向进行传播。矩形介质波导中的场模式可以分为和 模，其中m和n分别表示在x和y方向的半波个数。可以做假定：波导内的场是正弦变化的，波导外的场是指数衰减的。另外为了简化分析，图1中阴影区域部分的场假定为0，实际中这部分的场是存在的，但比较小，可以近似为0。从无源的麦克斯韦方程组出发，结合边界条件，可以得到x，y，z方向的波数kx，ky，kz（在矩形波

4、导区域内）和x，y方向的衰减常数 （在矩形波导区域外）。分别如下： 其中 是自由空间的波数： ， 是真空中的光速， 是工作频率， 是真空中波长。为方便求解，在此基础上可以做进一步的近似，假设在 和 处介质波导是理想的磁壁（也就是在四壁上磁场方向垂直于壁，电场方向平行于壁），再求解可以得到 ， 。为了能够得到一个能很好地模拟介质谐振天线的模型，再进行一步操作，在 轴 处将无限长的介质波导截掉，形成一个谐振器，并假定 处的边界条件为理想磁壁，如图2所示：yxzdba图2 被截后的介质波导模型在此基础上能够比较容易地求解出 模式的场分布： 其中： 利用介质波导模型可以求出孤立谐振器的谐振频率。事实上

5、，在使用过程中还要加上一个有限大的地平面用来方便给谐振器馈电，所以必须考虑这个有限地平面对场分布的影响。这时介质波导模型就不适用了，需要采用数值方法来计算场分布，如：矩量法、有限元法、几何绕射理论等。另外，还要考虑不同的馈电方式（如同轴探针馈电、微带线馈电等）与谐振器之间的耦合，可以利用洛伦兹互易定理来计算耦合量，不详细讲述。2. 微带线馈电的矩形介质谐振天线的仿真与测量本文仿真了一种微带线馈电的矩形介质谐振天线（还有其他很多种馈电方式如：同轴探针馈电、共面波导馈电等，不详细介绍。）并进行了实际测量。其设计参数如图3所示： 基底: 微带线图3 微带线馈电的RDRA的尺寸其中矩形介质谐振器的尺寸

6、是： ，使用材料的介电常数是 。在HFSS建立好的模型如图4所示：图4 HFSS中的矩形介质谐振天线模型改变谐振器与微带线的位置，在HFSS中进行参数扫描优化，可以得到最优的结果，仿真得到的反射系数（S11幅度曲线图，用dB表示）曲线图如下所示：图5 反射系数曲线的仿真结果实际测量的反射系数曲线图如图6所示：图6 实际测量的反射系数曲线图这里使用由Agilent生产的型号为E5072A的网络分析仪测量S11参数，扫频范围是4-6GHz，能覆盖所设计的介质谐振天线的工作频段。由实际测量的的反射系数的曲线图和仿真的反射系数曲线图能够看出，实际测量中天线在中心频率有5.2GHz出有11%带宽，有充足的频带资源能够在WLAN系统中应用；二者也能大致地符合起来，尽管中心频率有一些偏移。矩形介质谐振天线仿真的三维增益图如图7所示：图7 天线增益图仿真结果从仿真图可以看出，天线增益最大达到了7.1，其中红色区域为增益较大的范围，方向性好。实际测量的方向图如图8所示：图8 天线实际测量方向图对比仿真和实际测量的方向图，实测结果与仿真有较大出入，但是仍然具有一定的方向性。实际测量的图中有一个“裂缝”，是因为在测量过程中天线测量系统在0度和360度都测量了一个值，但两次测量的值不一样，事实上这是同一个位置。3. 总结通过天线原理课程的学习，我对天线的各种性能参数有