摘要:設(shè)計了一種新型的基于微帶貼片饋電的介質(zhì)諧振器天線.天線的介質(zhì)桿設(shè)計為錐削結(jié)構(gòu)，采用具有嵌入式微帶線的圓形貼片進(jìn)行饋電.通過調(diào)節(jié)微帶線嵌入圓形貼片的深度和寬度，獲得較寬的阻抗帶寬.天線樣品的測試結(jié)果與設(shè)計仿真結(jié)果吻合良好.天線阻抗帶寬(|S11|<-10dB)為7.1%(5.73~6.14GHz)，頻段內(nèi)的平均增益超過11.1dBi.在工作頻率5.8GHz處，天線的增益達(dá)到11.2dBi，相應(yīng)的口徑效率為84.1%.

　　關(guān)鍵詞:介質(zhì)諧振器;增益;口徑效率;寬頻帶;微帶線

　　0引言

　　近年來，介質(zhì)諧振器天線因其自身的優(yōu)勢，如尺寸小、損耗低、輻射效率高等，已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中[1-3].但目前大多數(shù)的介質(zhì)諧振器天線通常由高介電常數(shù)的材料構(gòu)成，且介質(zhì)桿的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，這不僅增加了天線設(shè)計和制作的難度，而且提高了加工成本.介質(zhì)諧振器天線的饋電方式靈活多樣，可采用同軸探針、孔徑耦合、共面波導(dǎo)等方式進(jìn)行饋電，并可激勵起多種模式[4-8]，但這些饋電結(jié)構(gòu)會使得天線整體結(jié)構(gòu)笨重，不易于與設(shè)備集成.

　　本文提出了一種基于微帶貼片饋電的介質(zhì)桿天線，采用具有嵌入式微帶線的圓形貼片對介質(zhì)桿進(jìn)行饋電，以獲得較寬的阻抗帶寬.為了便于加工制作，介質(zhì)桿采用簡單的錐削結(jié)構(gòu)[9]，所用材料選取低介電常數(shù)的聚四氟乙烯，降低諧振器的Q值，同時節(jié)約了制作成本.通過數(shù)值仿真得到天線的最佳幾何尺寸，加工了天線實物樣品，對天線的端口反射系數(shù)、輻射方向圖、增益等進(jìn)行測量分析，實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好.

　　1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　介質(zhì)諧振器采用聚四氟乙烯材料，相對介電常數(shù)為2.08.將其放置在相對介電常數(shù)εr=2.65，長Ls=58.6mm，寬Ws=43.2mm，厚Hs=2mm的介質(zhì)基板上.介質(zhì)基板正面為圓形貼片和嵌入式側(cè)饋微帶線，背面為全金屬.為了使天線的結(jié)構(gòu)更加牢固，介質(zhì)桿底部增加半徑Rs=17.6mm的圓形托盤，并通過尼龍螺釘將其與介質(zhì)基板固定.

　　2天線參數(shù)分析

　　天線的目標(biāo)工作頻率為5.8GHz.天線的諧振頻率由圓形貼片半徑Rp決定.綜合考慮在5.8GHz處|S11|的值以及-10dB阻抗帶寬，選取Rp=8.6mm.介質(zhì)諧振器天線的增益主要取決于介質(zhì)桿的長度，可通過文獻(xiàn)[10]中的公式進(jìn)行估算G≌M×Ldλ0，式中:G為天線增益;Ld為介質(zhì)桿長度;λ0為自由空間波長;M是一個隨著介質(zhì)桿長度緩慢變化的比例因子.如果介質(zhì)桿的長度Ld在3λ0~8λ0之間時，M≈10，當(dāng)Ld≫λ0時，M≈7.可以明顯看出，隨著介質(zhì)桿長度的增加，增益逐漸增大.但考慮到聚四氟乙烯材料在實際加工制作中的難度，且隨著介質(zhì)桿長度的進(jìn)一步加長，天線的增益變化趨于平緩，最終選取介質(zhì)桿長度為120mm.

　　3仿真和實測結(jié)果

　　對設(shè)計的微帶饋電介質(zhì)桿天線進(jìn)行了加工和測試.實測阻抗帶寬(|S11|<-10dB)為7.1%(5.73~6.14GHz).實測曲線比仿真曲線的中心頻率略高，而且阻抗帶寬增大，這主要是由于饋電圓貼片和介質(zhì)桿之間的空氣層造成的.由于介質(zhì)桿底座與基板不可能完全貼合，空氣層會使得介質(zhì)諧振器的相對介電常數(shù)降低，從而導(dǎo)致中心頻率偏移以及阻抗帶寬增大.

　　仿真和測試的天線輻射方向圖，在5.8GHz工作頻率下H面的測量和仿真方向圖吻合良好，E面實測旁瓣略大于仿真結(jié)果，主要是由于側(cè)饋SMA接頭以及焊點產(chǎn)生的額外輻射引起的.

　　4結(jié)論

　　本文提出了一種基于微帶饋電的介質(zhì)桿天線，采用低介電常數(shù)的聚四氟乙烯材料制成，并且具有簡單的錐削結(jié)構(gòu)，通過圓形微帶貼片饋電.由建模數(shù)值仿真確定最優(yōu)參數(shù)值并加工出實物.測量結(jié)果表明，天線的阻抗帶寬為7.1%(5.73~6.14GHz)，旁瓣電平為-17.3dB，工作頻率5.8GHz處增益達(dá)到11.2dBi，具有良好的性能和廣闊的應(yīng)用前景.

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