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介质陶瓷谐振器天线的研究进展

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第37卷第2期 2016年4月 DOI:10.13957 ̄.cnki.tcxb.2016.02.004 陶瓷蓍旅 Journal ofCeramics VoI.37 No.2 Apr.2016 介质陶瓷谐振器天线的研究进展 曹良足 2,胡健 ,李广文L。,殷丽霞 3.景德镇景光电子有限公司,江西景德镇333405) (1.景德镇陶瓷大学机械与电子工程学院,江西景德镇333403;2.南京理工大学电光学院,江苏南京210094; 摘要:介质陶瓷谐振器天线广泛用于卫星通信、基站和移动通信系统中,本文综述介质陶瓷谐振器天线的馈电结构、小型 化、带宽展宽技术和频率可调方法的最近研究成果,并从理论上解释其相关的工作原理,最后提出了介质陶瓷谐振器天线 的发展趋势。 中图分类号:TQ174.75 文献标志码:A 关键词:天线;介质陶瓷谐振器;馈电结构;带宽展宽技术;频率可调 文章编号:1000-2278(201 6)02—0127—06 Progress in Dielectric Ceramic Resonator Antenna CA0Liangzu i一HUJian lLIGuangwen ,YINLiMa l ,,(1.School ofMechanical and Electric Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333403,Jiangxi,China; 2.School of Electric and Optical Engineering,Nanjing University of Science&Technology,Nanjing 2 1 0094, Jiangsu,China;3.Jingdezhen Jingguang Electronic Co.Ltd.Jingdezhen 333405,Jiangxi,China) Abstract:Dielectric ceramic resonator antennas(DRAs)have been widely used in satellite communication,base station and mobile communication systems.This paper summarizes the excitation,miniaturization,bandwidth enhancement techniques and frequency tuning in recent years.The relevant principles were given in theory.Finally,the trends for DRAs were proposed. Key words:antenna;dielectric ceramic resonator;excitation;bandwidth enhancement techniques;frequency unitng 0引言 一直以来,介质陶瓷谐振器(DR)主要用于微 波电路,如振荡器和滤波器,它是由高介电常数 (£ 大于20)的材料制成的,其无载品质因子(Q值)通 常在50至5o02_问,但也可能高达1 0000 ,例如, (Zr。 Sn。 )TiO 陶瓷 、CaTiO。一LaAIO。陶瓷 。因为 在这些传统的应用中,介质陶瓷谐振器是作为贮能 器件而不是辐射单元。尽管多年前人们发现开放 型的DR能辐射电磁能,直到第一篇关于圆柱介质 陶瓷谐振器天线(DRA)的论文发表于1983年后 , DR用作天线的想法才广泛被人们接受。那时候, 人们发现某些系统的工作频率范围扩展到毫米波和 近毫米波(100—300 GHz),在这个频段,金属天线的 导体损耗变得严重,天线的辐射效率大幅度下降。 相反,DRA的介电损耗非常小。自从圆柱DRA 收稿日期:2015—10—10。 修订日期:2015—12—21。 基金项目:江西省自然科学基金项目(20151BAB207014);景德镇 市科技局科研项目(景科字[2013]第55号)。 通信联系人:曹良足(1966一),男,教授。 zPzzsgioleReceived date:2015—10-10. 研究后 ,Long-s, L‘直致力于研究长方体DRA和 半球DRA。这些工作奠定了DRA未来研究工作 的基础。其它形状,如三棱锥DRAt 、球冠DRA 和圆环DRA ' 也得到了开发。图l是常见DRA的 照片。 与微带电天线相比,DRA具有相当宽的阻抗 带宽(对£ l0的DRA大约10%)。这是因为微带天 Correspondent author:CAO Liangzu(1966-),咄E——mail:dz4233@fliyun.com Pfrp图1各种形状的介质谐振器天线 Fig.1 DRAs of various shapes Revised date:2015-12-21 Professo ̄ 瓷李旅 2016年4月 线仅通过两条窄的狭缝产生电磁辐射,而DRA除 接地面外所有的表面都可以辐射电磁波。DRA还 具有另一个明显的优点,就是介质表面能够避免表 面波的产生。 下面从馈电方式、低背及小型化、带宽展宽技 术和频率可调方法四个方面进行综述。 1馈电方式 介质陶瓷谐振器天线(DRA)I ̄I介质陶瓷制成, 所有表面都没有电极,要将电磁信号通过DRA辐 射到周围空间,必需采用合适的馈电方式。常见的 馈电方式有以下门种:同轴探针“ ,窗口耦合的微带 线u ,窗口耦合的同轴线u31,直微带线u41,共面波 导u ,焊接在微带线上的探针n。1,狭缝线n ,带状 线n ,共形带状线【 ,介质镜像波导 。图2示出两 种常见的馈电结构。 馈电的本质就是将信号源的能量耦合给DRA, 耦合的方式不外乎电耦合和磁耦合以及电磁混合耦 e合。图3是微带线耦合DRA的等效电路图和反射系 l数图。图中L 、C 和R1构成并联谐振为DRA的等效 电路,L2、C。和 为微带线的分布参数,L oi和L2之间 形成磁耦合(图中用M表示)为微带线馈电机制,微 带线与D 距离近耦合强,反射系数更小,反之,g 则耦合弱,反射系数大于一l0 dB。 sY Pz(a)microstrip feedline (b)coaxial probe-fed 图2介质谐振器天线的两种馈电结构 Fig.2 Two excitation methods for DRA p牙 一 誊 g rf镯一 8 暑 Pe 一 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Frequency(GHz) 图3微带线耦合介质谐振器天线的等效电路图和反射系数曲线 Fig-3 Equivalent circuit and reflection of DRA coupled to microstrip line 2低背及小型化 许多现代通信系统要求使用低背介质陶瓷谐振 器天线,例如可以连接到无线网络的笔记本电脑, 低背介质陶瓷谐振器天线本身还可以直接连接到 PCMCIA ̄式的无线网卡上。为了增大辐射,采用 低介电常数(£,)的介质材料制作DRA,但是,DRA 的高度与£ 成反比,即介电常数越高,DRA的高 度越低(通常所说的‘低背’),因此,采用高£ 的 介质材料可以使DRA低背,从而实现DRA的小型 化。1994年,Mongia o-采用£ =100的介质材料制作 了长方体DRA,阻抗带宽为3%,随后,也研制出低 背的圆柱DRA和三棱锥DRAt21-22]。Essele 。 研究了 低介电常数(£ =IO)DRA的小型化,当DRA的长与 高之比等于6(长、宽和高分别为15.2 mm,7.0 mm和 2.6 mm)时,谐振频率为11.6 GHz,反射损耗高达 38 dB。除了采用高介电常数外,在圆柱DRA的轴心 插入一根短路金属小圆柱,与常规DRA相比,体 积可以减小一半以上 。最吸引人的方法是将圆柱 或长方体沿轴线对半剖开,将剖面紧靠一块垂直的 金属板并接地,根据镜像理论,则DRA的体积减 小近一半[25-27 ,如图4所示。 低背DRA的l0 dB反射损耗带宽和轴比带宽大 于微带介质天线。虽然DRA的高度比微带介质天 zzzzzPsgiolePfrp鹭李旅 2016年4月 图7引入空气间隙的介质谐振器天线 Fig.7 DRA with air gap 的带宽展宽技术。Chent38-391在DRA上加盖介质帽 来增加阻抗带宽。还可以引入额外的导体块增加 DRA的阻抗带宽 “。在介质陶瓷谐振器底部和地 面之间引入一层低介电常数介质板,增加有效辐射 的同时,也能提高带宽 。 对微带线直接馈电的DRA,可以采用微带线支 节进行阻抗匹配,从而达到带宽展宽的目的 1。 4频率可调方法 e介质陶瓷谐振器天线的频率由其尺寸和介电常 数决定,可是,特殊频率的DRA很难在市场上购 l买到,即使能买到,但是存在组装偏差,测量值和 o计算的谐振频率不一定相一致,因此诞生了许多调 谐频率的方法,例如,顶面加载金属圆盘、多根带 i状线、狭缝、长方体侧壁上的短路支节、集总电 容、变容二极管器等。z.Lit 1在g圆柱体和圆环DRA 的顶面加载导电金属盘调谐天线频率,调谐频率范 围可达300—500 MHz。H.K.Ng 用多对带状线调 谐半球体DRA的频率,两对带状线使天线的谐振 频率范围扩展到3.1—3.8 GHz。K.K.So 1s采用接地 平面上的狭缝调谐半球体DRA带宽和谐振频率,P 当狭缝长度从14 mm增加至22 Film时,谐振频率从 4.35 GHz减小至3.变长方体侧壁上螺旋线馈线的位置改变天线的频 率,从中心位置移至右边,频率变化从4.z75 GHz。M.I.Sulaiman 通过改 1 GHz至 3.1 GHz。B.wu I在DRA下面加入表面金属化的介 质片改变天线的谐振频率,前面所采用的调谐频率 的方法是静态的,一旦结构和尺寸确定后,频率就 固定不变,而电调谐和光调谐能实现动态调频。 A.Petosa[ 在长方体侧壁的金属带与接地面之间焊 上三个PIN- ̄极管,由高低电平(即数字信号0和1) 控 ̄iJPIN的导通和断开,从而调谐DRA的频率,当 数字信号从000变化到lll时,频率从4.50 GHz降到 3.45 GHz。C.X.Haot删在长方体的侧壁焊上贴片电 容器或变容二极管,电容从0 pF增Nlo pF,频率 2.87 GHz降至2.12 GHz,如图8所示。其原理很容 易从介质陶瓷谐振器天线的等效电路图(图3)中加以 理解,加载的电容并联在电路中,满足下列公式, 1 式中f】、L,、C 和C 分别为谐振频率,等效电 感,等效电容和加载电容。从公式可知,c『p.越大, C 越低,与图8相一致。r G fPFrequency(GHz) 图8加载电容器/变容管的介质谐振器天线的结构图与反射晌应 Fig-8 Structure and Reflection of DRA loaded with capacitor/varactor 5结语 介质陶瓷谐振器天线的性能参数与其形状、尺 寸、介质材料的参数和馈电方式等因素有关。在追 求某一项参数高指标时,要适当兼顾其它参数,例 如,为了小型化采用高介电常数的介质陶瓷,但天 线的带宽变窄,增益减少;再例如,为了扩展天线 的调谐范围,采用电容比较大的变容管,但天线在 低频端的驻波比小于2,不能满足整机对天线的要 求。介质陶瓷谐振器天线的研究课题很多,如圆极 化、双极化、多通带和天线阵列等,由于篇幅限 制,在此不再综述。介质陶瓷谐振器天线的发展趋 势是小型化、高增益、宽频带、易调谐和能够低成 本批量生产。 参考文献: 【1]KAJFEZ D,GUILLON P.Dielectric resonators(2nd ed.)【M】 zz第37卷第2期 曹良足等:介质陶瓷谐振器天线的研究进展 Mississippi:Noble Publishing Corporation,1998:431,473. 【2】吴坚强,郭慧锋,黄万波.ZST微波陶瓷在贴片天线制作中的 应用[J】.陶瓷学报,2014,35(6):625—628. 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