超宽带频率可重构矩形介质谐振天线

摘要

在本文中，一款超宽带频率可重构介质谐振天线（FR-DRA）被提出并讨论。这个天线能够在4.15GHz~8.25GHz实现两个不同频段的切换。本文提出的DRA介电常数为10.2，由一段"U"型微带线馈电，并且在馈电网络的一支装有一个p-i-n二极管来实现"开"和"关"的两种状态，从而实现了两个不同频段的转换。与此同时，在两种工作频段下也有很好的匹配。该天线整体的尺寸大小是40x40x1.58mm³。结果表明FR-DRA可以提供两种不同工作频率的转换，并且它们的阻抗带宽分别是35%和20%。

关键词：FR-DRA，频率可重构，宽带，p-i-n二极管

一、引言

介质谐振天线是目前天线研究的一个热门方向，其具有许多传统天线所不具备的优点，比如低损耗、宽频带、高增益、低成本等^[1]。在毫米波至太赫兹频段，金属的趋肤效应会变的非常显著，因此，金属天线的效率会大幅降低。相反，介质天线几乎完全由介质构成，不受趋肤效应的影响，因此，介质天线在毫米波及太赫兹波段具有更大的应用价值^[2-3]。

另外，在无线领域的需求量增加，导致天线在降低成本的同时又要提高自身的性能，这种种的苛刻条件使得天线设计者们开始研发多功能的天线，而最近可重构天线受到了极大的关注，因为这一类天线自身有改变系统需求的能力或者能够自动地适应不同的环境条件。可重构天线也是多种多样的，无论窄带或宽带，都可以工作在某目标频段。当然还有许多优点，比如可重构能力、多功能性、小型化、低成本等。这些优点可以有机的结合到无线系统当中^[4-5]。尽管传统的金属天线也存在可重构的方法，但是对于DRA来说很少有频率是可重构的。在现有的一些文献中，他们运用了不同的方法来实现频率可重构^[6-8]。比如一些频率可重构的DRA是通过在地板和DRA之间增加空气带隙来改变频率，还有一些通过在馈电网络上增加开关的方法来改变工作频率，更特殊的还有通过改变水面的高度来改变介质块的高度，从而实现了频率的可调。基于现有的文献，还没有一个频率可重构的天线可以实现从一个宽带到另一个宽带的转变。

在本文的设计中，超宽带频率可重构介质谐振天线被提出和研究，一个二极管开关加载在"U"型微带线的一边，来实现两种工作频段的转换。在设计中利用HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件对天线进行仿真，为了能够实现所需功能，对天线结构尺寸进行了仿真优化比较，并在文中给出了天线反射系数、方向图，增益等结果图，然后结合仿真结果进行分析总结。

二、天线结构设计

在本文中提出的FR-DRA的结构如图1所示。

(a)、天线模型俯视图和侧视图

(b)、天线各个参数尺寸和位置

图1、天线模型结构

该天线是由一块矩形介质谐振器，一段"U"型的微带线馈线和一块Taconic材料的介质板组成，其中介质板的尺寸是40x40x1.58mm³。DRA的材料是Rogers6010，介电常数是10.2，高度是3mm，在"U"型馈线的一边装有一个二极管开关。表一中列出了该天线优化后最理想的一组参数。

参数	尺寸（mm）	参数	尺寸（mm）
W0	40.0	L0	40.0
W1	4.2	L1	3.0
W2	2.0	L2	9.0
W3	18.0	L3	1.5
W4	1.0	L4	6.5
W5	20.0	L5	3.0
W6	3.0	L6	7.0
W7	34.0	L7	31.0
H	3.0	L8	3.0

二极管仿真模型如图1中"U"型馈线上的灰色小方块所示。p-i-n二极管型号为BAR64-02V，通过直流偏置网络控制二极管在开与关两种状态下切换，根据p-i-n二极管的datasheet，在这两种状态(导通与截止)下其等效电路模型如图2所示。

图2、二极管导通与截止时等效电路

三、天线仿真结果

本文提出的介质谐振天线通过利用HFSS的仿真，基于电磁场有限元方法，得到了该天线的反射系数（S₁₁），增益，方向图等仿真结果图。天线馈电一端的二极管开关是用来改变工作频率的。因此，开关的两种状态"开" 和 "关"，分别对应了两种工作模式。当开关处于"开"状态时，二极管导通，相当于一个2.1Ω的小电阻；当开关处于"关"状态时，二极管截止，相当于一个3kΩ电阻与0.17pF的小电容的并联。为了在仿真中便于操作，二极管被一块铜片所代替。当铜片连接时，就表明此时开关处于"开"的状态；当铜片没有连接时，就相当于开关处于"关"的状态。环形的底板结构使得天线的带宽增加了，尤其是在低频的时候。图3给出了两种工作状态反射系数的结果图。

图3、二极管通断时反射系数

通过图3我们可以清楚的看出两种宽频带的工作状态，当开关"开"时，工作频率是由4.10GHz~4.61GHz和5.83GHz~ 6.42GHz，阻抗带宽为21%，在这个频段内的应用很多，可以用于无限城域网；当开关"关"时，工作频率是由8.16~8.68GHz，在这个频段内的阻抗带宽为6%左右，在这个频段可以用于X波段卫星通讯。

在DRA上加入金属贴片同样也可以达到展宽带宽的目的。图4是加入金属贴片后的侧视图。

图4、天线模型俯视图和侧视图

通过图5可以得到在加入金属贴片之后，该天线的阻抗带宽有了一个明显的提高。在二极管处于接通状态时，工作频率是4.15GHz~5.80GHz，阻抗带宽是35%；在二极管处于断开状态时，工作频率是6.85GHz~8.25GHz，阻抗带宽是20%，从而形成了超宽带天线。

图5、二极管通断时反射系数

在图6中分别给出了两个工作状态，三个谐振频率的E面和H面的辐射方向图，其中4.37GHz和5.45GHz是开关"开"的时候的谐振频率，而7.39GHz则是开关"关"的时候的谐振频率。

(a)、4.37GHz E面和H面方向图

(b)、5.45GHz E面和H面方向图

(c)、7.39GHz E面和H面方向图

图6、三种频率下yz平面(E面)和xz平面(H面)方向图

根据图6得出，在二极管导通的时候，H面的方向图几乎是全向的。而在二极管截止的时候，E面和H面的方向图看起来都有一些残缺，这是由于频率升高，不对称结构和电流分布的不平衡所引起的，与此同时，在该工作模式下天线是线极化的。

四、总结

本文提出了一款超宽带频率可重构矩形介质谐振天线，该天线可以工作在两个带宽较宽的频段内。该DRA放置在一个40x40x1.58mm³尺寸的介质基板上，并且利用一边带有二极管开关的"U"型微带线进行馈电，二极管的通断决定了该天线的两种工作频率，可以在4.12GHz~8.85GHz之间进行调节。这样的天线可以应用在无线城域网和X波段的卫星通讯等方面。

作者：西安电子科技大学 胡劲涵 周俊娜

参考文献

[1] Yang Gao, Zhenghe Feng, and Li Zhang, "Experimental Investigation of New RadiatingMode in Rectangular HybridDielectric Resonator Antenna" IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 10, pp. 91-94, 2011.
[2] M. Abedian, S. K. A. Rahim, Sh. Danesh and M. Khalily, "Ultrawideband Dielectric Resonator Antenna with WLAN band rejection at 5.8 GHz," IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp. 1523-1526, 2013.
[3] M. Abedian, S. K. A. Rahim, Sh. Danesh, S. Hakimi, L. Y. Cheong, and M. H. Jamaluddin, "Novel Design of compact UWB Dielectric Resonator Antenna with Dual Band rejection Characteristics for WiMAX/WLAN Bands," IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 14, pp. 245-248, 2015.
[4] C. X. Hao, B. Li, K.W. Leung, and X. Q. Sheng, "Frequency-Tunable Differentially Fed Rectangular Dielectric Resonator antennas," IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 10, pp. 884-887, 2011.
[5] Sh. danesh, S. K. A. Rahim, M. Abedian, M. Khalily, and M. R. Hamid "Frequency Reconfigurable Rectangular Dielectric Resonator Antenna" IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp. 1331- 1334, 2013.
[6] Hoi Kuen Ng and Kwok Wa Leung , "Frequency Tuning of the Linearly and Circularly Polarized Dielectric Resonator Antennas Using Multiple Parasitic Strips," IEEE Transaction on Antennas Propagations, vol.54, pp. 225-230, Jan. 2004.
[7] K. K. So and K. W. Leung, "Bandwidth Enhancement and Frequency Tuning of the Dielectric Resonator Antenna Using a Parasitic Slot in the Ground Plane," IEEE Transaction on Antennas Propagations, vol.53, pp. 4169-4172, December. 2005.
[8] T. Apperley, and M. Okoniewski, "An Air-Gap-Based Frequency Switching Method for the Dielectric Resonator Antenna" IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014. 13: 455–458.

本文刊登于微波射频网旗下《微波射频技术》杂志 2016无线射频专刊，未经允许谢绝转载。