超宽频介质谐振器天线

1、在竖直平面边缘安装宽边模式的超宽带陶瓷谐振器天线 摘要：一种新型的根据宽边辐射设计的便携式陶瓷谐振器天线（DRA）有待为超宽带无线移动应用和窄脉冲传感器的乳腺癌检测提供帮助。该天线发送宽边辐射。在竖直平面边缘安装实心距形陶瓷谐振器，总天线的用量要比在水平地面少。宽阻抗匹配带宽已经获得实现。另外，实心距形陶瓷谐振器天线的改进版（一个A型谐振器的两边）可以提供与带宽相合度达93%的更宽阻抗，它有良好的宽带辐射特性且质量小。通过参数分析对两种天线进行比较，改进后的天线测试结果和估计值吻合。1. 简介提高带宽和天线微型化是天线工程设计的重要技术。在某些应用领域，许多天线工程师们一直试图设计拥有良好宽带

2、性能的宽带小天线，DRA是一个不错的选择。自从1983年首次提出陶瓷传感天线的应用， DRA以其高辐射效率、低损失率、尺寸小、质量轻等突出特性，20年来一直都是活跃的研究领域。而且，DRA有高度的设计灵活性，是高效率和低成本应用的最佳选择。 过去为了提高带宽进行了大量实验。DRA宽带研究首次由Kishk通过实验提出，将两个不同的DRA叠加形成一个25%的阻抗带宽谐振系统。此后，研究者提出了很多提高带宽的方法。利用DR结构灵活的特点，各种几何形状的DRA，如圆锥形、椭圆形、四面体、井形、楼梯和H型应用于提高带宽技术中。DRA和地面天线之间的空隙可以进一步提高带宽。一个多层的DRA可用于提高带宽，

3、加载陶瓷谐振器。由于DR显著影响辐射的共振频率和相关的耦合机制，提供如下几种DRA：T-DRA、L-DRA、V-VRA。通过使用上述提高带宽的技术，25%-67%的DRA带宽是宽带辐射模式。单极带宽辐射模式比宽边型要容易实现，以前在环形DR前加载一个单极模型来提高带宽。近来，一些文章提出竖直平面内DRA模型以获得全方位格局。然而，它们之中没有宽带模式的DRA,也没有哪个获得了UWB所需的带宽。这里，我们介绍一种新型的DRA设计，DR是安装在竖直平面边缘的宽带辐射模式，跟单极带宽辐射模式不同。而且，我们提出的这种新型的竖直平面模型，从理论上讲天线总体积可以减少75%，总质量也轻得多。详细分析见H

4、FSS。2. 天线布局图1所示为提出的DRA的演变进程。1.a图所示为被条形激励源激励的矩形DRA。被条形激励源激励的DRA被记录下来，由于不对称结构和高阶模式的影响，在E-平面模式下的一些变形，可以在高频段观察得到。1.b图所示为安装在竖直平面边缘的矩形DRA，如图安装DR比图1.a所用天线减少，该结构可以提供与带宽匹配的宽阻抗。然而，这种结构也会出现与1.a图中观察到的E-平面模式下高频段尾部类似的不对称性。DRA的尺寸是14mm宽，18.3mm长，5.08mm厚度，其介电常数为10.2，且它由一个30*30 mm2的、介电常数为2.94、厚度为0.762mm的RT6002基片所支撑。水平

5、面投影到基片处于DRA下面，水平面的大小是11* 30 mm2，线的阻值大约为50欧姆，匹配电压器的长度为（Lg-LF1）。剩下的天线部件如图2所示。3. 数字调查数字调查十分重要，因为它向天线工程师提供了一些对天线特点的理解，对我们的天线研究有帮助。首先，我们展示了如何提高E-平面削减宽阔面辐射模式。即便图二的结果可以从2007的IEEE天线及传播会议中找到，它完全没有提到改进E-平面削减模式的沟效应。我们通过其他方式进一步改进辐射模式。其次，我们就带宽问题研究了一些参数，从而了解我们理想的DRA的特性。其三，我们比较了H-平面削减模式以及我们理想类型和平坦类型的垂直水平面的交叉极化等级的效

6、果。同样要指出的是，理想类型的物理性能强，在被植入绝缘基片时可能不需要任何黏合剂，只需在DRA表面沾一点点胶水即可黏在基片上。平面类型则需要在基体表面涂上黏合剂。许多宽阔面模式的DR天线在电流探测时活跃，其宽阔面模式趋于畸形。由于高阶模式的存在，在中高频带出现辐射模式的变形。在E-切面辐射模型，因为非对称结构的单极电子探针激励，出现离天线轴线40。大倾角，也激发更高阶的模式。图3显示在E-切面辐射模式下三角DR在8和9GHzd的削减。与平面竖直模型（将DR放在陶瓷基片上）下的情况相比，它们都包含非常小的交错偏差，下文将要论述。如前文所述，在E-切面辐射模式下，没有裂缝的三角DRA有一个40。的

7、偏角，在8GHz时有30。的回差。在E-切面辐射模式下，由于带宽高频处有使它们在宽边方向出现不对称，从而造成不能接受的的变形。所以我们介绍一个有裂缝的DR和平面边缘增强相反方向的电场来平衡两边。然而，由于其他高阶模式的需要，仍然存在大约50。的偏差。我们注意到该裂缝在需要的方向上有一定程度的热量循环，但是还不足以弥补该困难，因为它只纠正了单极效应。我们观察DR的场分布并且发现两点间的一些场可以影响辐射模式。因此，我们将电介媒质从这些点中移走，为的是改变这些模式的回响频率使其远离我们感兴趣的而且构造很好的高阶场分布代替不规则的高阶场分布。另外，该中心的窄部分由8GHz的强场分布。这对改进对称（平

8、衡）E-切面有帮助。在9GHz，即使在中心的窄部分仍然有强场分布，最大的强场分布的位置由于移动的点略往右边移了。这轻微的影响了E切面。修改后的几何形状如图4所示。这个修改后的几何形状有两个开放的通道安装在一个地平面垂直边缘。使用矩形DR中标注的相同参数。WW= 6mm，WL1=WL2=6.7mm，LD1=LD2=9.15mm， FL1=5.4mm， FL2=13mm。图5所示的是裂缝的效果和8、9GHz的E-切面的辐射模型。这些图可以与图3对比，E平面的DR辐射模型有两个切面提供了正确的模式变形，因为窄部分和中心部分的强电场产生一个平衡的DR电场分布正如图6所示的那样。而且，它可以很简单的表示

9、一个小的裂缝有助于A-型 DRA的高指标的E-平面辐射模型。图7对比矩形DRA和修改后DRA的反射系数，它有两个切面，安装在地平面垂直边缘。当矩形DRA安装在地平面垂直边缘提供了84%的阻抗匹配带宽，而有两个切面并且安装在地面垂直边缘的DRA提供了更宽的达到93%的阻抗匹配带宽。这表明我们通过陶瓷裂缝估计或改变高阶模式，裂缝作为一个谐振器或者提供一个在高频带的带缺口(8.5 GHz 到9.5 GHz)。图8和9显示了地面对安装在竖直平面边缘的DRA的地面效应。众所周知超宽带平面单极天线的本身就有其不平衡性，电流既分布在地平面也分布在辐射体中，所以地平面的尺寸和地面与辐射体的之间的距离影响天线的

10、性能。图8所示为地面对DRA的空中反射系数。我们提出的UWBDRA反射系数受地面尺寸的变化波动小。但地面尺寸影响低频段的分布。图9所示为保持DRA的总尺寸时，地面与DR之间的距离对实验的影响。与UWB天线比起来，地面与DR之间的距离对获得好的阻抗匹配效果影响不明显。实验显示，由多种材料复合的DRA能提高带宽。作为基片，陶瓷系数为2.94，DR是DRA的一部分，我们研究基片尺寸的影响。图10显示，基片尺寸没有影响。另一个重要发现是DR和激励源之间的有效耦合可以通过选取匹配变压器的长度和宽度来实现。图11和图12所示为匹配变压器对安装在竖直平面边缘的DRA的影响。匹配阻抗对匹配变压器的长度和宽度变

11、化非常敏感，特别是在高频段。我们可以发现地面和基片的尺寸影响基本可以忽略不计，地面和DR之间的裂缝对获得匹配阻抗影响也不大。然而，合适的匹配变压器长度和宽度对获得好的匹配阻抗非常重要。采用平面模式的一些DRA没能达到UWB或宽带辐射模式的要求。DRA的结构，其中有垂直地平面的，平面安装型（把DR直接放在陶瓷基片上），也有要求将DR粘接在基片上的。图13是所给竖直平面模型DRA的侧视图。图14将该模型DRA的反射系数进行比较。由图13我们可以看出平面型的DRA基片厚度要比我们提出的厚些，其共振频率与我们的模型有偏移。还要说明的是，由于宽边辐射特性的影响，DRA所测实验数据结果没能得到别人的证实。

12、图15显示E-平面在工作频率范围内的最大交叉极化水平。从图中可以看出垂直平面的平面模型的交叉极化水平比提出的安装在竖直平面边缘的水平要高出5到10dB。而且，H-面模式辐射由于天线的非对称结构不具有对称性，而现在提出的H-面辐射模型具有对称性。4. 实验结果图16为安装在竖直平面边缘的有两个开口的DRA原型图片。数据是由网络分析仪HP8510c所得。图17为模拟和实测匹配系数。的带宽反射系数为-10dB，测量从3.685 GHz至9.96 GHz频段的92%带宽。而且可以看出反射系数为-15dB时可以提供77%的带宽。DRA的远场辐射模式通过模拟仿真得到了测量和证实。图18描绘了在三个不同频率

13、的辐射模式的模拟结果与实测结果。该天线往一个方向辐射。我们可以观察到辐射模式仿真和实测结果吻合，还有宽边方向辐射的对称性。图19显示随频率变化的天线增益和天线的估计和测量效率。应该提到的是，查尔穆斯理工大学回响室中天线效率的测量实验数据，是用比以往实验提供的更小的频率通过滑动平均处理所得。天线效率的计算公式是辐射效率乘以。估算天线效率是基于有损和无损天线的HFSS仿真计算器。天线辐射效率的计算就是指向性天线增益率，这是百分百的无损情况。当然，这样计算的结果数值偏高，因为数值收敛问题没能解决。因此，我们考虑无损情况下出现的错误并且校正有损情况下的错误。在可用的频率范围内实测的天线效率与估计的天线效率吻合。天线获得了宽带中大于百分之九十五的天线效率。此外，在可实施的频段天线增益持续增加。5. 结论 安装在垂直于地面边缘的矩形DRA因为其宽边辐射模式应用于无线移动应用和窄脉冲传感器。与水平于地面的DRA相比，这种