新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线及其设计方法

1.本发明涉及一种新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线及其设计方法，属于介质谐振器天线技术领域。


背景技术：

2.由于圆极化(circularly polarized，简称cp)天线受天线失调和传播效应的影响较小，抗干扰能力强，在通信、雷达、电子对抗和电子侦查以及广播电视等方面有着重要的应用。相比于微带贴片天线，介质谐振器天线(dielectric resonator antenna，简称dra)具有体积小、损耗低、馈电方式简单，形状多样等优点，自long首次提出dra以来，一直受到广泛关注。基于dra的优点，研究人员设计了多款cp dra天线。hon san ngan等人将二阶dra切去对角，获得了双频cp特性，其带宽分别5.2％(低频)和1.4％(高频)。manzoor elahi等人在二阶dra的对角引入环形通孔，获得了5.5％的cp带宽。近期，fakhte等人提出的阶梯形dra，其cp带宽为22％；son trinh-van等人提出了一种探针馈电的dra，获得了44.73％的cp带宽；liang lu提出了一种具有微带-槽耦合馈电和阶梯形dra，获得了71.1％的阻抗带宽和46％的cp带宽。
3.随着无线通信和雷达等系统的快速发展，对cp dra的带宽提出越来越高的要求。目前，在确保cp dra结构简单且cp稳定性的条件下如何尽可能提高cp带宽一直是cp dra领域的研究热点。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线及其设计方法,具有二阶dr(dielectric resonator,简称：dr)结构并采用微带-槽耦合馈电方式，通过优化微带线和切角的位置、尺寸等参数，可明显改善圆极化带宽。
5.本发明所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线，自下而上依次分为馈电条带、介质基板、开槽地板和阶梯形dr，馈电条带沿纵向铺设介质基板的背面，开槽地板为去除rp部分后保留的地板，沿开槽地板右侧边缘横向加工有槽缝，切角阶梯形dr包括位于地板上方的一阶dr、以及横跨槽缝的二阶dr，一阶dr的右上角设置有切割角度θ＝45
°
、切割长度为t的切角。
6.优选地，所述馈电条带的尺寸为wf×
l，距离开槽地板一侧边缘为d4，特性阻抗为z0＝50ω。
7.优选地，所述介质基板的尺寸为w
×
l，厚度为hs；相对介电常数为ε
r1
＝2.65，损耗角正切值为δ＝0.003。
8.优选地，所述开槽地板的尺寸为w
×
lg，rp部分的尺寸为w
×
(l-lg)，槽缝的尺寸为ws×
ls。
9.优选地，所述阶梯形dr分为两部分，即：
10.一阶dr，上底尺寸为l
d1-t，下底尺寸为l
d1
，宽度尺寸为w
d1
；
11.二阶dr，长边尺寸为l
d1
,短边尺寸为w
d2
；
12.一阶dr距离介质基板左侧边缘为d1，自rp部分边侧延伸至部分开槽地板处，二阶dr位于开槽地板的槽缝正上方，二阶dr与一阶dr沿纵向错开距离为d2。
13.优选地，所述一阶dr与二阶dr均由同一方形dr加工而来，阶梯形dr的长宽尺寸均为a。
14.本发明所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线的设计方法，包括如下步骤：
15.s1：方形dr边长的计算：预先地板上设置有方形dr，在电磁场主模式的谐振频率、相对介电常数给定的情况下，通过介质波导模型的设计公式计算得到方形dr的边长a；
16.s2：等效阶梯形dr的获得：利用电介质模块和空气的加权平均相对介电常数公式，将方形dr初步调整为阶梯形dr；
17.s3：开槽切角阶梯形dr的获得：包括如下小步：
18.s31：沿阶梯形dr下方去除地板尺寸为l-lg的部分，即：
19.地板尺寸为l、保留的开槽地板尺寸lg，rp部分尺寸为l-lg；
20.s32：沿rp部分下缘向下d3处横向引入一个深度为ws、宽度为ls的槽缝，以激发另一新的谐振频率；
21.s33：阶梯形dr以θ＝45
°
方向切角，切角尺寸为t，以获得更好的ar带宽；
22.s34：与馈电条带的特性阻抗相匹配，确定馈电条带的位置参数d4和宽度参数wf；
23.s4：宽带圆极化dra的设计：运用hfss整体仿真优化，调节天线各个参数，使得天线的阻抗带宽、轴比带宽、方向图、天线增益都满足要求指标，完成宽带圆极化dra的设计。
24.优选地，所述s1中，dr的设计公式如下：
[0025][0026][0027][0028][0029]
其中，a、b和d分别为方形dr的横截面沿着x轴、y轴和z轴方向的长度；
[0030]kx
、ky和kz分别为方形dr内部区域沿x、y和z方向的波数；
[0031]
k0为真空中的波数；
[0032]
εr为方形dr的相对介电常数。
[0033]
优选地，所述s2中，电介质模块和空气的加权平均相对介电常数公式为：
[0034][0035]
其中，v
dr
,v
air
和ε0分别为在阶梯形dr的体积、空气的体积与空气的相对介电常数；则：
[0036]wd1
w
d2
＝a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0037]
l
d1
l
d2-d2＝a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)。
[0038]
本发明所述设计方法的有益效果是：仿真分析表明，该天线s
11
《-10db的阻抗相对带宽为69.7％(3.91-8.10ghz)，ar《3db的轴比相对带宽为51.4％(3.87-6.55ghz)，综合阻抗带宽和轴比带宽后，其有效带宽为50.4％(3.91-6.55ghz)，同时，有效带宽内增益超过3.36dbic。
附图说明
[0039]
图1是本发明整体的立体图。
[0040]
图2是本发明整体的仰视图。
[0041]
图3是本发明整体的俯视图。
[0042]
图4是本发明地板的结构示意图。
[0043]
图5(a)是本发明方形质dr的模型图。
[0044]
图5(b)是本发明等效阶梯形dr的模型图。
[0045]
图5(c)是本发明开槽阶梯形dr的模型图。
[0046]
图5(d)是本发明开槽切角阶梯形dr的模型图。
[0047]
图6(a)是本发明的s
11
仿真曲线图。
[0048]
图6(b)是本发明的ar仿真曲线图。
[0049]
图7(a)是本发明切角对s
11
(a)参数的影响图。
[0050]
图7(b)是本发明切角对ar(b)参数的影响图。
[0051]
图7(c)是本发明切角对gain(c)参数的影响图。
[0052]
图8(a)是本发明4.3ghz xoz面的辐射方向图。
[0053]
图8(b)是本发明4.3ghz yoz面的辐射方向图。
[0054]
图8(c)是本发明6.1ghz xoz面的辐射方向图。
[0055]
图8(d)是本发明6.1ghz yoz面的辐射方向图。
[0056]
图中：1、馈电条带；2、介质基板；3、地板；31、rp部分；32、开槽地板；33、槽缝；4、切角阶梯形dr；41、一阶dr；42、二阶dr。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0058]
实施例1：
[0059]
如图1至图4所示，为本发明设计的宽带cp dra的结构图。其中：
[0060]
该天线由一条馈电条带1、一个矩形的介质基板2、一个地板3和一个切角阶梯形dr4。介质基板2的尺寸为w
×
l，厚度为hs，相对介电常数为ε
r1
＝2.65，损耗角正切值为δ＝0.003。馈电条带1和地板3分别位于介质基板2的上下两面。相对介电常数为ε
r2
＝9.8，高度为h的切角阶梯形dr 4位于地板3上方。馈电条带1的尺寸为wf×
l，距离开槽地板32左边缘为d4，特性阻抗为z0＝50ω。为展宽带宽，在一阶dr41的右上角以θ＝45
°
切割长度为t的切角。
[0061]
切角阶梯形dr4由一阶dr41和二阶dr42两部分组成，高度为h，所用材质相对介电常数为ε
r2
＝9.8。一阶dr沿横向方向距离开槽地板左边缘为d1，尺寸为ld1
×
wd1，右上方以θ
＝45
°
切割长度为t的切角；一阶dr与二阶dr沿纵向错开距离为d2，尺寸为w
d2
×
l
d2
。
[0062]
下表1列出了最终优化的切角阶梯形dr结构参数。
[0063]
表1宽带cp dra的结构尺寸参数单位:mm
[0064]
wll
d1
l
d2wd1wd2
272510.69.7135d1d2d3d4lgls4.52.71.76.3715.43.5wswfhsht 10.22.90.833.2 [0065]
本发明的设计方法，如图5(a)至图5(d)所示，包括如下步骤：
[0066]
s1：对于方形dr，在电磁场主模式的谐振频率和相对介电常数给定的情况下，通过介质波导模型的设计公式(1)—(4)计算得到其边长a。本发明中若ε
eff
＝7,谐振频率为f2＝6ghz，计算可得真空中孤立dr的边长a＝18mm。
[0067]
s2：利用电介质模块和空气的加权平均相对介电常数公式(5)，并根据公式(6)和(7)，将方形dr初步调整为切角阶梯形dr4。在ε
eff
＝7，ε
r2
＝9.8，a＝18mm的条件下，计算得到切角阶梯形dr4各边长的初始解(l
d1
，l
d2
，w
d1
，w
d2
，d2，t＝11mm，8mm，13mm，5mm，3mm，1mm)。
[0068]
s3：调整天线结构，以改变带宽。
[0069]
s31：为了获得更多被地板3抑制的模式，去除一阶dr下方的rp部分31，rp部分31尺寸为l-lg；
[0070]
s32：为了扩展带宽，需在混合结构中激发另一谐振频率，为此引入一个槽缝33，其位置和尺寸分别为d3、ls和ws；
[0071]
s33：为了获得更好的ar带宽，对切角阶梯形dr的高度h进行调整，并对切角阶梯形dr4以θ＝45
°
方向切角，切角尺寸为t；
[0072]
s34：为与z0＝50ω相匹配，确定馈电条带1的位置参数d4和宽度参数wf；
[0073]
s4：运用hfss整体仿真优化，调节天线各个参数，使得天线的阻抗带宽，轴比带宽，方向图，天线增益等都满足要求指标，完成宽带圆极化dra的设计。
[0074]
实施例2：
[0075]
下面通过结果分析，总结本发明的有益效果。
[0076]
如图6(a)表征了切角对天线的阻抗、轴比的影响，图中以θ＝45
°
切角，切角尺寸参数为t。为便于观察t对天线性能的影响，在改变t时，其他参数保持不变。综合图6(a)和图6(b)可以看出，切角尺寸对天线s
11
《-10db带宽影响较小，但对ar《3db带宽产生明显影响。由图6(b)可以看出，当t《7mm时，出现一个新的低频谐振频率，且对原来由dr激发的第二个谐振频率无明显影响。当t＝3.2mm时，第一个低频谐振频率明显向低频方向转移，此时对应ar带宽最大。当t＝7mm后，ar频带由单频带变成双频带，此时天线圆极化特性变差，ar带宽明显减小。由此可以得出结论：切角对天线的阻抗带宽无明显影响，但会对表征cp特性的ar参数产生显著影响，本发明中最终取t＝3.2mm。
[0077]
图7(a)至图7(c)中比较了有无切角对天线性能参数的影响。其中，t＝0mm的实心三角形标记图线为本发明对无切角的现有技术天线结构的仿真结果，t＝3.2mm实心方形标记图线为本发明优化后天线结构的仿真结果，t＝0mm的空心三角形标记图线为无切角的现
有技术结构的实验测试结果。可以看出，本发明中对无切角天线结构的仿真曲线和实验测试曲线比较吻合，说明本发明所采用的仿真方法正确。
[0078]
由图7(a)可以看出，切角后天线(即本发明中结构)s
11
《-10db的阻抗相对带宽为69.7％(3.91-8.10ghz)，未切角天线的阻抗相对带宽为69.7％(3.88-8.02ghz)，切角对天线阻抗带宽几乎没有影响。由如图7(b)表明，切角后ar相对带宽为51.4％(3.87-6.55ghz)，未切角天线ar相对带宽为46.2％(4.09-6.55ghz)，切角后明显改善天线的ar带宽。由图7(c)可以看出，切角也明显改善有效带宽低频段内增益，其最小增益由2.8dbic提高至3.36dbic，即切角后天线最小增益提高了20％。
[0079]
图8(a)至图8(d)为仿真得到的归一化cp辐射方向图，其中，图8(a)和图8(b)对应f1＝4.3ghz，图8(c)和图8(d)对应f2＝6.1ghz；图8a和图8c为xoz面内的辐射方向图，图8(b)和图8(d)为yoz面内的辐射方向图；深色曲线为左旋圆极化波，浅色曲线为右旋圆极化波。可以看出，该天线为双向辐射天线，两侧辐射方向图几乎相同。在两个谐振频率处，沿 z方向均辐射rhcp波，而沿-z方向均辐射lhcp波。
[0080]
本发明设计了一种微带-槽耦合馈电的新型圆极化阶梯形dra。通过在切角阶梯形dra的合适位置切角并优化其尺寸实现了对cp带宽的展宽。结果表明，天线s
11
《-10db的回波损耗带宽为69.7％(3.91-8.10ghz)；小于ar《3db的带宽为51.4％(3.87-6.55ghz)。综合阻抗带宽和轴比带宽后，有效带宽为50.4％(3.91-6.55ghz)。工作频段内最小增益由原来2.8dbic提升至3.36dbic，即有效带宽内增益为3.36-3.85dbic。
[0081]
本发明可以广泛运用于介质谐振器天线技术领域。