介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析汇总

介质谐振天线的辐射原理介质谐振天线是一种特殊的天线结构，它通过选择合适的介质材料和天线几何尺寸，使得天线在特定频率范围内达到谐振的状态，从而实现高效率的电磁波辐射和接收。

介质谐振天线的辐射原理可以通过以下几个方面来解释。

首先，介质谐振天线借助介质的属性来增强辐射效果。

介质材料的存在可以导致天线处的电场、磁场分布发生变化，从而改变天线的辐射特性。

当选择合适的介质材料时，可以实现对电磁场的聚集和耦合，从而提高电磁能量的传输效率和方向性辐射。

通过调整介质的电容率和磁导率等参数，可以实现对天线频率响应的调控，使其在特定频率的电磁波辐射能力得到增强。

其次，介质谐振天线的辐射原理还与其几何结构密切相关。

通常情况下，介质谐振天线采用缠绕、绕线、折叠等特殊的结构形式。

这样的结构可以通过增加导体的长度，增加导体之间的耦合长度，增大天线的物理尺寸来增强电磁波的辐射效果。

通过合适的设计和布局，可以形成一种类似共振器的结构，使得天线在特定频率的波长范围内达到谐振的状态，从而实现对电磁波的有效辐射。

再次，介质谐振天线的辐射原理还与天线输入阻抗的匹配程度有关。

当介质谐振天线处于谐振状态时，其输入阻抗达到最小值，即共振阻抗。

这时，天线能够与外部传输线路或设备之间实现良好的阻抗匹配，使得电磁波能够有效地从传输线中耦合到天线中，从而实现高效的能量转换和辐射。

因此，通过调节天线的几何结构和介质参数，使得天线的输入阻抗与外部系统之间能够实现较好的匹配，是实现高效率辐射的重要因素。

最后，介质谐振天线的辐射原理还涉及到辐射场的形成和辐射功率的分布。

在谐振状态下，天线的辐射场形成了一种特定的电场和磁场分布模式，这种模式可以使得电磁波在空间中以特定的方向传播。

通过合适的介质设计和结构调整，可以调节天线辐射场的方向性、增益和辐射功率的分布。

在实际应用中，可以通过优化介质谐振天线的形状、尺寸和参数，使其在特定的方向范围内具有较高的辐射增益和效率，满足不同应用场景对辐射性能的要求。

介质谐振器天线研究进展钟顺时;韩荣苍;刘静;孔令兵【摘要】综述了介质谐振器天线技术三十多年来的主要研究进展.归纳了宽带/超宽带、圆/双极化、高阶模/高增益、毫米波设计及介质谐振器天线阵等方面的技术进展,也介绍了介质谐振器天线的特点与分析方法等.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2015(030)002【总页数】13页(P396-408)【关键词】介质谐振器天线;宽带/超宽带;圆/双极化;高阶模/高增益;毫米波天线;天线阵【作者】钟顺时;韩荣苍;刘静;孔令兵【作者单位】上海大学通信与信息工程学院,上海200072;上海大学通信与信息工程学院,上海200072;临沂大学理学院物理与电子学系,山东临沂276000;上海大学通信与信息工程学院,上海200072;上海电力学院电子与信息工程学院,上海200090;上海航天电子通讯设备研究所,上海201109【正文语种】中文【中图分类】TN821.2低损耗高Q值的介质谐振器（Dielectric Resonator，DR）在20世纪70年代已在微波毫米波集成电路与系统中获得大量应用［1］.英国时代科技公司（ERA Technology）在1981年率先制成一副介质波导馈电的K波段介质谐振器天线阵［2］.1983年，美国休斯敦大学的Long教授首次在理论上阐述了圆柱形介质谐振器天线的工作原理，并给出了实验验证［3］.此后，在世界范围内展开了介质谐振器天线（Dielectric Resonator Antennas，DRA）的广泛研究与应用.三十多年来，特别是近十年来，DRA技术发展迅速，取得了不少研究成果［4－9］.1980至1990年的研究重点集中于用数值法分析DRA的输入阻抗、Q值、辐射特性以及馈电方法等.代表性的研究成果主要反映在Luk ＆Leung和Petosa的两本书［4－5］中，其中归纳了众多学者的研究工作；在此期间，Mongia已总结了多种基本形状DRA的谐振频率和带宽的经验公式［6］.在20世纪末到21世纪初更多的研究工作是在宽带／超宽带、圆／双极化、高阶模／高增益和毫米波DRA等方面［7－9］；电磁仿真软件的发展为研究特殊形状DRA提供了有利条件，一些新奇的形状开始应用于宽带和圆极化DRA的设计中.代表性研究机构有美国密西西比大学、加拿大通信研究中心和渥太华大学等，中国主要有香港城市大学、清华大学、电子科技大学、西安电子科技大学和上海大学等.然而，目前国内尚未见较详细地介绍DRA的中文文献.本文将围绕DRA的研究热点，介绍其发展现状和新进展，以抛砖引玉.DRA是由低损耗的微波介质材料构成的辐射器，一般通过微带线、微带缝隙或探针等馈电结构对其馈电.一副层叠式宽带DRA的结构如图1所示［10］.这里的圆柱形介质谐振器由不同介电常数的介质层来构成，以展宽频带.DRA的辐射类似于短的磁偶极子的辐射，单个DRA的基模辐射增益一般约为2～6dBi.介质谐振器天线具有以下特点［11］：1）通过除地面以外的整个谐振器表面辐射，且没有导体和表面波损耗，因而具有较宽的阻抗带宽（例如取εr≈10，可获得约10%的阻抗带宽）和较高的辐射效率（≥95%）；2）通过选择不同介电常数的材料，天线尺寸和带宽可灵活控制；3）谐振器形状和馈电方式灵活多样，并可激励起多种模式，便于实现宽带、多频或高增益设计；4）加工简单且对公差敏感度较低并具有较高的温度稳定性.基于上述特点，DRA用作小尺寸的低增益天线单元是很有吸引力的，特别是在毫米波波段.当频率高至毫米波时，由于DRA无导体损耗和表面波损耗，且公差要求较低，它与微带天线相比具有特殊的优势.而在低频段，由于DRA最大尺寸正比于λ0（εr）－1／2（λ0是其自由空间谐振波长，εr是介质谐振器的相对介电常数），而其辐射效率并不直接受εr影响，因而可采用高εr来明显降低天线尺寸，并且可将高度h做得很低.例如取80＜εr＜100，DRA高度h可低至0.025＜h＜0.035，而能保持约3.5%的阻抗带宽.注意，介质谐振器天线的阻抗带宽与εr基本上成反比关系，所以εr需适当选择，一般取4＜εr＜100.DRA的频率范围约为50MHz至100 GHz.DRA是一种谐振式天线，其谐振频率取决于谐振器尺寸、形状和材料的介电常数，并与馈电结构等因素有关.分析介质谐振器的方法主要有解析法、近似法和数值法.解析法只对存在闭式格林函数的结构有效，置于导体面上的半球形DRA的谐振频率可通过解析法求解［12］.有限长圆柱或矩形介质谐振器不存在严格闭式的格林函数，只能用近似法或数值法求解.近似法主要有Okaya－Barash提出的磁壁模型（Magnetic Wall Model，MWM）［13］与Chang－Itoh提出的介质波导模型（Dielectric Waveguide Model－DWM）［14］.磁壁模型假设介质界面为理想磁壁，是一种比较粗糙的近似方法，计算精度较差.介质波导模型是基于Marcatili 波导模型改进的近似方法，与磁壁模型法相比精度更高，能够满足工程需要.数值法主要有矩量法（Method of Moments，MOM）［15］、有限元法（Finite Element Method，FEM）［16］和时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）［17］等.采用严格的数值法分析时，能将介质谐振器周围的环境影响也考虑在内，理论上可以计算出期望精度的谐振频率和场分布.在实际工程设计中，对置于导体面上的圆柱形DRA，Long教授已给出谐振频率的解析解［3］.其常用的辐射模有TE01δ、TM01δ和HE11δ模，其谐振频率可用下列经验公式估算［6］：对TE01δ模对TM01δ模对HE11δ模式（1）～（3）中：c为自由空间中的光速；a为圆柱谐振器的直径；h为高度.置于导体面上的矩形DRA，谐振频率可通过DWM法计算，求解过程涉及超越方程的求解.其基模TMδ11模谐振频率的近似表达式为［5］式中：d，w，h分别为谐振器在x，y，z方向的长度，单位为cm；f0的单位为GHz.对置于导体面上的半球DRA，可以通过解超越方程求得TE111模的谐振频率［18］为式中：a为半球介质谐振器的半径；Re（ka）为复数ka的实部.由于DRA除接地板外的各个面均可辐射，而微带天线主要是通过两个辐射缝隙辐射的，所以DRA具有更宽的阻抗带宽.这是DRA有别于微带天线的主要特征之一.介质谐振器的品质因数，即Q值，对天线的阻抗带宽具有重要影响.若DRA的馈电端口处能承受的最大电压驻波比RVSW不大于S，则阻抗带宽WB与Q值有如下关系：可见，在单一工作模式下提高DRA带宽的基本途径，就是降低谐振器的Q值，即减小介质材料的介电常数.例如，相对介电常数小于10的矩形DRA经优化后，带宽可达到20%［5］；镂空或内嵌低介电常数介质的DRA由于等效介电常数降低，也具有宽带特性［19－20］.除此之外，提高DRA带宽的主要途径是引入多模谐振，介绍如下.2.1 宽带高阶模DRA激励两个具有相似边射辐射特性的谐振模，是设计宽带DRA的最简单的方法之一.文献［21］报导，利用同轴和缝隙耦合两种馈电方式激励圆柱谐振器的高阶模HEM11Δ（1＜Δ＜2），通过调节谐振器尺寸比例关系，使之与基模HE M11δ（0＜δ＜1）同时工作，从而实现了宽带设计.研究表明，当谐振器的半径高度比等于0.329时，天线最优带宽为26.8%.而基模TE111和高阶模TE113同时工作的矩形DRA（εr≈10）实现了超过40%的阻抗带宽［22－23］.由于简单结构（例如矩形、圆柱形、半球形）的谐振频率容易计算，而特殊结构的谐振频率不易求出，所以高阶模的引入一般只用于简单结构的宽带DRA设计.2.2 宽带层叠／阶梯形DRA层叠式宽带DRA［10］的结构已示于图1中，层叠结构，由于采用不同介电常数的各层介质对应的固有谐振频率不同，会产生多谐振现象，从而使DRA的相对带宽展宽到66%.针对不同的结构，G.Walsh等给出了层叠与嵌入式DRA带宽与阻抗的变化规律［24］.阶梯形结构的DRA可认为是层叠式结构的另一种形式，由于各层等效介电常数不同，也具有多谐振特点，可获得较宽的阻抗带宽.口径耦合的倒金字塔阶梯形DRA，实测阻抗带宽可达62%，覆盖6.6～14.6GHz频段［25］.2.3 宽带特殊形状DRA特殊形状的介质谐振器结合特定的馈电结构，可以激励起多个模式，已广泛应用于宽带DRA设计中.文献［26］分析了不同形状的锥台DRA，文中指出倒锥形获得的阻抗带宽最宽，其中半锥台设计的阻抗带宽达到了50%；形状与之类似的碗型DRA带宽可达85%［27］；本课题组［28］采用三角贴片激励U形介质谐振器，实现了84.1%的阻抗带宽；降低谐振器剖面结合缺陷地的平面单极子结构也能实现超宽带设计［29］.此外，其他典型的DRA形状还有蝶形［30］和T形［31］等.2.4 混合辐射结构DRA辐射缝隙激励的介质谐振器天线是混合辐射结构DRA最早的形式［32］，由于缝隙谐振模与介质谐振器的谐振模产生模式合并，从而实现了宽带或者双频设计［33－34］.显然，缝隙谐振模和谐振器谐振模的带宽均会影响天线带宽.为了实现更宽的阻抗带宽，一般采用宽带馈电结构或宽带谐振器结构来设计宽带DRA.常用的组合形式是用特殊形状的介质谐振器与单极子天线相结合.国际象棋棋子形（如图2所示）介质谐振器与单极子混合结构［34］的阻抗带宽可达122%.文献［36］在圆柱形介质谐振器与单极子混合结构的基础上，在圆柱介质上加一圆环，其上又加一圆锥介质，使RVSW.≤2阻抗带宽达到148.4%（6.2～42GHz）.宽带印刷单极子天线已广泛应用于超宽带系统中［37］.这类宽带单极子天线一般采取两种激励方式，一种是共面波导激励，另一种是结合缺陷地结构的微带线激励.这两种激励方式同样可用于超宽带DRA的设计中.共面波导激励的印刷单极子与矩形介质谐振器相结合的设计获得大于3∶1的比带宽［3839］；缺陷地微带单极子激励的矩形谐振器，实现了93%的阻抗带宽，而且具有边射方向图［40］.表1对宽带／超宽带DRA设计作了归纳.可见，宽带DRA设计的重要途径是使用各种方法引入多个谐振模.激励高阶模，使用层叠介质结构或特殊的介质结构均可达到引入多谐振的目的.而混合辐射结构在宽带设计方面具有更强的灵活性，已成为超宽带DRA的主要发展趋势.3.1 圆极化DRA天线产生圆极化波的关键是形成两个极化正交、幅度相等、相位相差90°的线极化波.DRA圆极化技术与微带天线类似，归纳起来可分为单馈点法、双／多馈点法和多元法三类.圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比RA，把轴比不大于3 dB的带宽定义为圆极化带宽，或称为轴比带宽.轴比将决定天线的极化效率，表征天线极化纯度的交叉极化也可以通过轴比来衡量［41－42］.单馈点型圆极化DRA如图3所示.一般采用具有不同微扰结构的介质谐振器来调节两个正交线极化的幅度和相位，例如：切角谐振器［43］，十字形谐振器［44］，椭圆形［45］和半圆形谐振器［46］.这些结构微扰理论与圆极化微带天线的设计类似.此外还有激励某些特殊形状的谐振器［47－49］，或者采用特定的馈电方式，如十字型［50］缝隙、Y型［51］微带线、C字型［52］缺口圆环和螺旋线［53］馈电结构来激励简单的介质谐振器，及附加寄生金属贴片来形成正交极化模以实现圆极化辐射［54］.可见，单馈点型圆极化DRA设计比较灵活，结构较为简单，但常规设计的轴比带宽仅能做到1%～15%［7］.而采用电阻加载的缝隙激励简单介质谐振器的圆极化设计［55］和缝隙激励的开槽棱台设计［56］分别可获得18.5%和21.5%的3dB 轴比带宽.如果要进一步提高轴比带宽，则需采用宽带介质谐振器和宽带馈电结构.例如，Khalily等提出了一种单点馈电宽带圆极化DRA［57］，它采用开口环形地产生线极化模，使其与单极子DRA的辐射场正交，从而实现了圆极化辐射.该宽带DRA获得了51%的轴比带宽和53%的阻抗带宽.对于双／多馈点技术，要求相邻馈电点信号幅度相等，极化正交，相位相差90°.那么，介质谐振器结构上也应具有对称性，例如截面为正方形（环）或圆形（环），馈电方式如图4所示.图4中P1，P2，P3，P4均为馈电点，图4（a）中的P1，P2两馈点的信号幅度相等，极化正交，相位相差90°；图4（b）中四点信号除幅度相等，极化正交外，相位依次为0°、90°、180°和270°.这些馈电网络都需结合功分和移相电路，例如混合电桥，威尔金森功分器或T型功分器附加90°移相器等来实现.馈电网络的性能将直接影响天线的轴比和阻抗带宽.1994年，Mongia等人首次用3dB混合电桥结合双探针馈电空心圆柱介质谐振器（εr＝36））天线，实现了大于11%的轴比带宽［58］.同样利用此技术，通过使用低介电常数（εr≈10）的介质材料可以实现超过20%的轴比带宽［59］.本课题组研制的双探针馈电圆极化方形DRA（εr＝12），利用由威尔金森3dB功分器和宽带90°移相器组成的馈电网络，实现了41.7%的轴比带宽［60］.我们研制的另一类似设计如图5所示，由于馈电结构与DR实现了更好的匹配，其实测的有效圆极化带宽（RA≤3dB，RVSW≤2）达46.9%［61］.采用多点馈电技术的圆极化DRA一般能获得更大的圆极化带宽.采用四馈点的圆柱DRA已获得25%～50%的轴比带宽和阻抗带宽［62－63］.多元法圆极化技术的本质就是通过天线阵来实现圆极化.多元圆极化天线一般采用顺序旋转馈电，各阵元馈电的位置依次旋转90°，通过馈电网络使阵元间相位相差90°.这样，相邻阵元的辐射场在空间形成一对极化正交、幅度相同、相位差为90°的线极化波.文献［64－66］使用顺序旋转馈电技术均实现了大于20%的轴比带宽.多元法的优点是可以提高天线增益和带宽，但体积变大，同时增加了加工成本，所以馈电网络的小型化与宽带设计同样重要.上述三类圆极化DRA的技术性能归纳于表2，对其优缺点的评价是就一般而论，并不绝对.3.2 双极化DRA天线的双极化技术在地面无线通信、卫星通信、合成孔径雷达等系统有着广泛的应用，如：用极化分集技术在无线通信中抑制信道衰落，提高系统信噪比；用极化复用技术在卫星通信中提高频谱利用率；利用天线的双极化工作在射频识别系统中实现收发信道的隔离等.端口隔离度与交叉极化电平是衡量双极化天线性能的重要指标，且与其馈电结构密切相关.双极化DRA的各种馈电结构如图6所示，它们对端口隔离度和交叉极化电平的影响归纳在表3中［67］.可见，采用缝隙耦合可以获得较低的交叉极化电平和较高的隔离度.对于两个正交端口均采用缝隙耦合的设计，缝隙布局对隔离度与交叉极化均有较大影响［68］：T形缝隙耦合的双极化DRA的隔离度优于L形布局的情形，可达35dB以上，但由于其馈电结构的不对称，交叉极化电平较差.我们对双极化分别采用H形和U形缝隙耦合，实现了46.8dB的隔离度，而两种极化的方向图交叉极化电平分别低于－21.4dB和－18.1dB［69］.由于馈电结构不对称性对交叉极化影响显著，两个正交端口均采用对称的馈电结构为好.例如，如图6（d）所示，此时较高的隔离度和较低的交叉极化可以兼得.但是，该结构中的共面波导和缝隙距离太近，最佳设计实现难度较高.如采用差分信号对双极化各端口进行平衡馈电，可获得高性能的双极化设计［11］.差分信号可使同向的交叉极化辐射相互抵消，交叉极化电平相应降低；较低的交叉极化电平又能减小端口间的耦合强度，从而提高了端口隔离度.当DRA采用平衡探针馈电时，可实现优于40dB的隔离度和－30dB的交叉极化电平［70］；我们课题组曾采用平衡缝隙激励，已获得优于45dB的隔离度和－34dB的交叉极化电平［71］.理论上，DRA可以工作于很多模式.然而，之前大部分工作都集中在对基模特性的研究上；近期，高阶模特性被用在不同领域的DRA设计中.高阶模的应用主要集中在宽带、双频和高增益DRA设计等方面，其发展现状总结于表4.由表4可见，DRA的高阶模与基模同时被激励时既可用作宽带天线［22－23，72］，亦可用作双频天线［72－75］.研究表明［72］，电激励的双频矩形DRA比磁激励DRA更易实现模式合并而实现宽带特性，高频段和低频段的频率比一般要小于3.与混合辐射结构的宽带DRA设计相似，借助谐振的馈电结构可实现多频设计.λ／4（λ为介质中波长）单极子激励的矩形DRA可覆盖无线通信的800MHz、2.4 GHz和3.5GHz三个频段［76］.这类多频天线已广泛应用于各种无线系统中.工作于高阶模状态的DRA等效电尺寸变大，根据DRA高阶模式传播特性，有些边射的高阶模被激励后可提高天线的增益［77］.微带贴片激励的高阶模DRA（微带贴片辐射模，介质谐振器起加载作用）［78］与圆极化DRA［79］的实测增益分别达11 dBi和9dBi；缝隙耦合的X波段矩形DRA其不同的高阶模可实现8.2～13.7dBi的增益［80］.这类高增益DRA的设计重点是如何激励起具有边射方向图的高阶模.此外，高增益DRA的设计方法还有很多，例如，采用寄生结构［81］、层叠结构［82］、背腔结构［83］、电磁带隙（Electromagnetic Bandgap，EBG）地面结构［84］、漏波辐射［85］的DRA以及特种晶体DRA［86］均具有高增益特性.这些结构往往需要较大的接地面，结构复杂，体积较大.可以说，在增益要求不是特别高的情形下，采用高阶模是高增益DRA一种最简单的设计方法.毫米波天线具有“天然小型化”的优点，相同天线（物理）口径的情形下增益更高，绝对带宽更宽，已广泛应用于便携通信、卫星通信、防撞雷达、生物医学工程等领域.然而，毫米波波段的欧姆损耗和介质损耗、大气衰减和加工公差都会对金属天线的性能产生重要影响.而DRA除馈线以外没有导体损耗而具有较高的辐射效率，对加工公差没有微带天线那么敏感［7］.研究表明，增益相当的毫米波天线，DRA 的辐射效率和带宽均优于微带天线［87］；另外，DRA介电常数的可选择性以及高阶模工作状态均为进一步减小对加工公差的敏感度提供了理论依据［88］.所以，近年来DRA在毫米波领域备受青睐.毫米波DRA的研究热点集中在提高辐射效率和加工工艺两方面，即高增益／高效率DRA和集成DRA.毫米波DRA的主要应用范围是35～100 GHz，采用何种馈电形式才能将能量高效地耦合到介质谐振器中成为一大挑战.采用基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）馈电是设计高效率毫米波DRA的有效手段之一，SIW激励的矩形DRA的辐射效率可达95%［89］，而半模SIW激励的圆柱形DRA的辐射效率也达到了80%～92%［90］.毫米波集成DRA的设计一般有三类：封装系统（System in Package，SIP）DRA［91－92］、片上系统（System on Chip，SOP）DRA［93，94］和单片（Monolithic Integration，MI）DRA［95］.SIP DRA的设计理念是在电子系统的封装结构上集成DRA，加工工艺可采用低温共烧陶瓷技术.与SIP DRA不同的是，SOP DRA集成在电子系统中的某个芯片上，可以方便地结合芯片的加工技术，例如互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技术［94］.Ohlsson和Bryllert等［95］将磷化铟微波单片集成电路加工技术和毫米波DRA设计结合在一起，制成了单片DRA，实现了6 dBi增益.随着加工技术的进步，毫米波集成DRA必将成为毫米波天线的发展趋势.单个介质谐振器天线单元增益较低，而阵列是提高天线方向性的常用手段，文献［96］设计了一副四元圆柱形介质谐振器天线阵，获得11dBi的增益.自1990年代末以来，在介质谐振器天线阵方面已开展了不少研究，包括线阵和面阵，两款面阵天线如图7所示［97－98］.如何保证介质谐振器位置的精度和稳定性，尤其对大型阵列，是介质谐振器天线阵所面临的巨大挑战.所以，工艺方面的研究在介质谐振器天线阵设计中尤显重要.文献［98］除了对一款介质谐振器天线阵的性能进行研究以外，还对单元安装的工艺问题作了介绍.本文首先简介了介质谐振器天线研究的历史概况、特点与分析方法，然后综述了近三十年来DRA技术的重要进展，归纳了宽带／超宽带、圆／双极化、高阶模／高增益、毫米波DRA及DRA阵等方面的技术进展.此外，可重构介质谐振器天线技术在波束控制、频率可调及极化捷变等方面也得到了发展，请参见文献［99－101］等.随着无线通信技术的进展，DRA正在向宽频带、多极化、高增益和智能化方向不断发展.韩荣苍（1981－），男，山东人，临沂大学讲师.2006年获电子科技大学电磁场与微波技术专业硕士学位，现为上海大学该专业在读博士研究生.主要研究方向为现代天线理论与技术，微波／毫米波电路等.刘静（1976－），女，山东人，上海电力学院讲师，上海大学在读博士研究生.主要研究方向为现代天线理论与技术，微波／毫米波电路等.孔令兵（1976－），男，安徽人，2012年获上海大学电磁场与微波技术专业博士学位.主要研究方向为现代天线理论与技术，微波电路等.钟顺时（1939－），男，浙江人，上海大学教授，博士生导师，长期从事电磁场与微波技术专业教学与科研工作.在国内外发表论文300余篇，著译4部，发明专利授权9项.获国家和省部级科技进步奖7项，全国电子类和上海市优秀教材奖2项.主要研究方向为电磁场与天线理论及技术.【相关文献】［1］ KAJFEZ D，GUILLON P.Dielectric Resonators［M］.Norwood：Artech House，1986. ［2］ BIRAND M T，GELSTHORPE R V.Experimental millimetric array using dielectric radiators fed 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实验三微带天线仿真场分析引言：微带天线是一种采用微带线作为传输介质的天线，具有结构简单、成本低、易于制造等优点。

它在通信系统、雷达系统和无线通信等领域中得到广泛应用。

本实验旨在通过仿真工具对微带天线的工作原理进行深入研究，并利用仿真场对其性能进行分析。

一、微带天线的工作原理微带天线的工作原理是基于微带线上的电磁波传播。

微带天线由一个微带贴片和一个接地平面组成，微带贴片在微带线上形成驻波，而且驻波的谐振频率与贴片的尺寸、介质特性以及微带线自身的特性有关。

具体过程如下：1.驻波产生：微带天线通过电源将电能传送到微带贴片上，形成一定的电流分布。

这个电流分布会在贴片和接地平面之间形成一个驻波，使得能量集中在驻波点上。

2.辐射机制：在微带贴片上产生的驻波会产生电场和磁场，从而形成电磁波的辐射。

微带天线的辐射主要来自于贴片和接地之间的电场和磁场的耦合。

二、仿真工具及方法介绍本实验采用电磁场仿真软件CST Studio Suite对微带天线的性能进行分析。

CST Studio Suite是一款广泛应用于电磁场仿真的软件，具有较高的准确性和较强的仿真能力。

实验步骤：1. 建立模型：通过CST Studio Suite软件中的模型创建工具，建立微带天线的三维模型。

在建立模型时，需要设置微带天线的贴片尺寸、介质参数以及微带线的参数等。

2.引入激励：设置微带天线的激励方式，如电流激励或者电压激励。

在仿真中，可以选择合适的激励方式以及频率，对微带天线进行激励。

3.开启仿真：设置仿真场的参数，如频率范围、网格划分等。

通过点击仿真按钮，即可开始仿真过程。

仿真后，软件会给出微带天线的各种性能参数，如辐射远场图、辐射功率等。

4.结果分析与优化：根据仿真结果进行分析和优化。

如根据辐射远场图分析微带天线的辐射方向、辐射范围等。

根据辐射功率进行性能优化。

实验结果与分析：通过CST Studio Suite软件进行微带天线的仿真，可以得到以下结果：1.辐射远场图：通过仿真结果可以得到微带天线的辐射远场图，从而分析微带天线的辐射方向、辐射范围等信息。

• 55•以矩形谐振腔为例，理论推导了谐振腔内部电磁场分布及品质因子，并利用COMSOL软件进行了仿真验证。

结果表明，该软件仿真结果与理论计算结果高度一致，且能够直观、形象地展现谐振腔内部电磁参数分布。

1 前言电磁谐振腔其工作原理类似于无线LC 振荡回路，不仅可用来产生高频率的振荡信号，在微波技术方面还有着广泛的应用（周俊，刘大刚，曾亚文，et al.微波谐振腔本征模求解的算法及应用：材料导报，2007），如：选频元件，波长计和滤波器等。

关于谐振腔的电磁理论，解析法只能对几种特殊结构谐振腔求解；此外，传统教学一般是通过求解麦克斯韦方程来讲解，其过程复杂而又繁琐，多数课堂会弱化这部分知识教学，学生也会望而生畏，失去了学习的兴趣。

这些导致学生对这方面的认识不够，实际工程应用能力普遍较差。

COMSOL 软件属于一种多物理场仿真软件，其中包含了专门用于射频和微波建模仿真的RF 模块，该模块能够对各种结构光学器件进行仿真（马愈昭，许明妍，范懿，et al.基于COMSOL4.2的波导模式特性仿真：电气电子教学学报，2015）；除此外，该软件丰富的后处理功能还可让抽象的电磁现象更加直观具体（陈庆东，王俊平，基于COMSOL 软件的静磁场仿真与分析：大学物理实验，2018；周子杰，刘英伟，张洋，et al.实用COMSOL 后处理二次开发技术：科技与创新，2018）。

本文通过该软件直观地展现了矩形谐振腔内部电磁场分布，并自动计算了谐振腔的品质因子；另外，还与理论计算结果进行了对比分析。

该方式能够让学生更加形象地理解谐振腔电磁特性，激发学生的学习兴趣。

图1 矩形谐振腔2 谐振腔TE模式下电磁理论推导矩形谐振腔结构如图1所示，沿x 轴方向内腔边长为a ，沿y 轴方基于COMSOL软件的谐振腔仿真与分析湖南理工学院物理与电子科学学院 闵 力 魏 勇田 芃 王文进向内腔边长为b ，沿z 轴方向内腔边长为c ，谐振腔内部填充空气，谐振腔壁为理想导体。

介质谐振器天线谐振频率的测量及其应用1997年9月西安电子科技大学第24卷第3期JOURNALOFXIDIANUNIVERSITYsep.1997V o1.24N3介质谐振器天线谐振频率的测量及其应用Q.1它在屏蔽的微波电路中广泛用作振荡器和滤波器.另外,若把它置于自由空间中,则因其大部分功率消耗于辐射场中而使得其最低阶模口值大大减小(约为l0～i00).这就表明:介质谐振器很适合用作天线,它有下列突出优点:(1)尺寸小.大约为^./()数量级(^o为自由空间波长,为谐振器材料的介电常数).因而只需选用高材料,即可大大减小尺寸.(2)内部不存在导体损耗.与金属天线相比,金属天线损耗大.具有高辐射效率(3)耦合方式简单.可用于微波,毫米波频段的几乎所有传输线,采用简单的耦合方式,适于平面集成技术.此外,它与平面型传输线之间的耦合亦易于控制(改变相对位置),从而可由实验方法调节其性能到最像(4)适当选择谐振器参数,可大范围改变这种天线的工作频带.例如:选择合适的介电常数.就可使这种天线的低阶模带宽从百分之零点几变化到10黼以上.(5)介质谐振器天线的各种模皆有其独特的内部场和相应的外场分布.因而只需对其激励起不同的模即可获得不同的辐射场.早在1939年,Richtmyer就认识到介质谐振器向自由空间的辐射[】].1967年,Gasme等人报导了单个球状介质谐振器的辐射口值L2].1975年,Bladel报导了一个严格的渐近公式,用以计算具有任意形状的高介质谐振器的模;并导出了介质谐振器的内部场和辐射场的一般性质[3,43.此后,又给出了圆环介质谐振器的低阶轴对称摸的谐振频率,场和辐射口值的数值结÷收稿日期;l996—】l—l】第3期沙济彰等:介质谐振器天线谐振频率的测量及其应用433果口].Birand和Oelsthorpe报导了由矩形介质的谐振器(介质波导激励)组成的小型实验阵.然而,关于介质谐振器天线结构的第一个对称理论和实验研究系由Long等人在1983年报导0.此后,许多学者开展了有益的工作.值得指出的是Mongia等人的工作,他们在一篇综述陛论文0中总结了前人的工作,汇总了信息.且提出用于介质谐振器设计的新的简单公式,其中关于谐振频率和口值的公式在相当宽的谐振参数范围内有效.用作实际天线的最常见形状是圆柱形,尽管亦研究过诸如球,矩形,圆环等其他形状.文中以圆柱形介质谐振器天线为例,组成一个简单实验系统进行谐振频率和带宽测量,并将测量结果与文献Ela]中公式进行计算的结果作比较,两者能很好地一致.1实验测量1.1测量系统测量系统如图1所示.它包括用作地平面的—块20cm×20cm的铝板,文献[12]已证实其尺寸足够大.铝板上置放一圆柱形介质谐振器.它由钛教锫锡(ZrSnTiO.)制成,参数为:介电常数=37,直径2a一12.7mm.高度=5.08mm.谐振器两侧问距1mm处分别放置发射和接收振子,振子长度均为4mm.它们经由同轴电缆分别接到矢量网络分析仪itP8510上,便可在HP85l0屏幕上观察到辐射特性.1.2HE准和TMm模测量两振子皆取垂直方向,测量结果如图2所示.图中第1个谐振峰对应于HE-模,第2个谐振蜂对应于TM模.这两个谐振峰的扩展和峰点附近数据见附录1,2,其中峰点和一3dB点数据参阅表1.围1测量泉统表l测量数据疆2HEⅢ和TM0l6删量434西安电于科技大学第24卷由表1可见,HEm模的谐振频率为3.795GHz,带宽为90MHz,辐射0值为42.17}而TMo.模的谐振叔率为5.275GHz,带宽为90MHz,辐射Q值为58.61.1.3TE.瘌测量两振子皆取水平方向.测量结果如图3所示.其蟑点的扩展及数据见附录3,其中峰值和一3dB点数据亦已列入表l中.由表1可见,TE模的谐振频率为4.974GHz,带宽为11MHz,辐射口值为452.18.2理论计算及其与实验结果的比较围3T."的测量2.1理论计算根据文献[儿]提供的公式来计算谐振频率,o和辐射口值口.给定数据为:2a 12.7mm.H一5.08mlTl,=37,.=3×10'm/s?2.1.1HE11d模因为=;高[0_27+o-3e()+o-oz()]=所以0.50917,,0.509l7×=3.8285GHz?口一0.0l007()"×号{l+100exp41.1455.(1)卜z.os[o.s(号)_o.s㈤]])一2.1.2TMo模因为:_[:....,(2)所以J'D=5.18208GHz?文献[儿]中未列入TMm模的口公式,故这里未作计算.2.1.3TE0】M模因为.a==器[1..+o.os(号)——..o.z.(号)]=.一e.ee,c.所以,0=5.04277GHz.28.×[_¨s(鲁)sss("z421.669.(=幂3期沙济彰等;介质谐振器天线谐振频丰的测量及其应用4352.2理论计算与实验结果的比较理论计算与实验结果的比较如表2所示.表2理论计算与实验结果比较由表2可见,,.的误差范围小于2%,0误差范围则在百分之几左右.两者呈现了很好的一致性.3测量系统应用于对测量实际工作中,常需对样品进行参数测量,其中介电常数的测量更为常见.前面已经验证了实验测量与理论计算结果的—致性,从而为以该实验系统来进行测量提供了良好的手段.测试方法如下.3.1根据测量HE.m模来求前已测得:,o=3.795GHz,再代入式(1)即可解得渴=37.692.3.2根据测量TM.¨模来求前已测得:,o=5.275GHz,再代入式(2)即可解得=35.638.'3.3根据测量TE*濮来求前已测得:,o=d.974GHz,再代入式(3)解得渴=38.058.与=37的实际值相比,误差分别为:+1.87,一3.68,+2.86%,可以满足实用要求.若对上述敫据再作算术平均,则误差更小.仅为+L05.当然,实际工作中还可进行多次反复测量,但仅上捌即可说明其有效性.4结束语文中介绍了介质谐振器天线以及一种简单的测量系统,井把它用于一种圆柱形介质谐振器的谐振频率和带宽的测量,测量结果与理论计算结果能很好地一致.在此基础上导出了利用该系统进行样品测量的实用方法,误差仅在百分之几范围内.436西簧电子科技大学第24卷1.HE摸的峰点扩展及数据附录2.TM模的峰点扩展及数据3.TE的峰点扩展及数据tn,.,GHz82I-/de3.8l53.820382538303.7803.7853.7903-7953-800,./0H￡5.3205.240S.3255.245S.3305.2S03355.2553405.2603455.265535O5.05.555.3605.2B05.3655.2B55.3柚5.29055755.2955.3805.3B5拍.54l0I一2622460—26.04B8—2E5靶73一螗95996一2●.23535--23.84570一盯.28906 —28.B66伸—27.79I99 一23.B2B00—23.87890J一^j日一2&727—22.25. 一2Z3】3—2557—2l_739—20蠲一2I.320.851一23B77 ——24.470—19.一.74Z一19.58O一2d.792 一J9.8B1一舶.呻3一舶.463一舶.8婚—23-458 --2I.103,./GHZs21-/,m 2882982毫829930030I30229333052953064.9l504.97425 497J4.9720049他254.975004.972504.975254.972754.975504.073∞4.975754.0734.973504.973754.976504.97400—38.3B523—37.47460 —38.35l56—37.537l0—38.I328J一37.40429 一37.92968——37.54687 一盯.750oD一钉.●5II7 一37.6328I—37.92578—37.92578一盯.5lI他—38.17578一盯.64257—37.89648 一盯.4453I——37.97265一57.3632B∞噶第3期沙济彰等:介质谐振器天线谐振频率的测量反其应用437参考文献1RichtmyerRD.DielectricResonators.JApplPhys,1993.10(6):391～3982GastineM.CourtoisL.Oort.aannJJ.ElectromagneticResonance*ofFreeDielectricSpher es,IEEETransonMTT.1967,16(12):694～7oo3BladelJ.OntheResonancesofaDielectricR~sonatorofV eryHighPermittivRy.IEEETrans onMTT?1975.23(2):199~2084BladelJ.TheExcitationofDielectricResonatorsofV eryHighPermittivity.IEEETranson MTT,1975.23(2):208~2175V erplankenM.Blade/J_TheElectrie-DipoMResonancesofRingResoaatorsofV eryHigh 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resOnatorantennasanditsapplications8haJizkang(HohaiUniv..Changzhou,213022)Z..(UMIST,Manchester,M601QD,UK)AbstractDielectricresonatorantennasarebrieflyintroduced.TheresoNaFiO~frequenciesandQofa cylindricaldielectricresonatorantennaaremeasuredbyasimplemeasuringsystem.Theresu ltsobtmnedarewellcoincidentwiththoseofcalculation.Finally,theapplicationofthesystemto 8rmeasurementisillustratedwithanexampie. KeyWerdsdielectricresonatorsdielectricantennasmicrowawresonatorsdielectric COnStantn1eaSuf℃merit。

微带电路中介质谐振器的fdfd快速算法
微带电路中介质谐振器的FDTD快速算法是一种专门针对微带电路中介质谐振器而开发的解析算法，使用FDTD方法对介质谐振器的物理现象进行建模求解，能够实时解决谐振器的工作原理和特性。

主要包括有：
一、微带电路中介质谐振器的理论分析：在微带电路中介质谐振器中，传输线、反射点和谐振电感均具有非常重要的作用，因此需要对其进行理论分析，以确定谐振条件，从而确定谐振器的工作模式。

二、基于FDTD的模型建立：使用FDTD方法建立介质谐振器的模型，通过介质谐振器的理论分析来建立模型的网格和求解方案，利用FDTD方法计算时序场，对介质谐振器的物理现象进行建模求解，最终得到介质谐振器的时序场。

三、谐振器设计及特性分析：在进行介质谐振器设计时，需要进行参数优化，以使介质谐振器能够满足各项使用要求，改变介质谐振器的参数，观察其特性变化情况，分析谐振器的工作模式，给出合理的优化建议。

最后，使用FDTD快速算法可以得到介质谐振器的工作原理及其特性，精确模拟并分析微带电路中介质谐振器的工作状态，有助于进一步完善微带电路中介质谐振器的设计，确保谐振器达到最优性能。

介质谐振器天线及宽带印刷缝隙天线研究的开题报告一、选题背景：近年来，移动通信、卫星通信、雷达系统等无线通信领域对天线的要求越来越高。

其中，高增益、宽带、小体积是目前天线技术亟需解决的难点问题。

介质谐振器天线和宽带印刷缝隙天线是目前应用领域较广的两类天线，应用场景包括车载通信、小型化系统、无人机等。

二、选题目的及意义：本课题拟研究介质谐振器天线和宽带印刷缝隙天线的设计和制作，旨在探索一种实用可行的天线设计方法，打破传统方法的瓶颈，提升天线的性能指标，满足实际应用的需要。

该研究对推进我国无线通信技术发展具有重要意义。

三、预期研究内容：1、研究介质谐振器天线的理论基础，并设计制作样机；2、研究宽带印刷缝隙天线的理论基础，并设计制作样机；3、对比分析两类天线的性能指标，包括工作频带、增益和辐射效率等参数；4、探究天线设计参数对天线性能的影响，并提出优化设计方案；5、进行实验验证和优化，验证设计方案的实用性和可行性。

四、拟采用的研究方法：1、理论分析法：通过研究介质谐振器天线和宽带印刷缝隙天线的基本理论，掌握其工作机理和特性；2、仿真模拟法：运用电磁仿真软件对天线的性能参数进行仿真分析，对比分析两类天线的特点，找出设计方案的优劣之处；3、样机制作法：根据理论分析结果和仿真模拟结果，进行实际样机的制作和调试，对设计方案进行验证和优化。

五、拟达到的研究目标：1、完成介质谐振器天线和宽带印刷缝隙天线的设计和制作；2、对比分析两类天线的性能指标，评估其优缺点；3、提出优化设计方案，优化天线性能指标；4、完成实验验证和优化，验证设计方案的可行性和实用性。

六、拟采用的工作计划：第一年：研究介质谐振器天线的理论基础，进行电磁仿真分析，制作介质谐振器天线的样机，进行性能测试和分析。

第二年：研究宽带印刷缝隙天线的理论基础，进行电磁仿真分析，制作宽带印刷缝隙天线的样机，进行性能测试和分析，并与介质谐振器天线进行比较分析。

第三年：对两类天线进行优化设计，并进行实验验证和调试，验证设计方案的可行性和实用性，撰写研究报告和论文。

介质谐振器的工作原理我们目前所接触到的最基本的介质器件是介质谐振器。

要想了解介质谐振器的工作原理首先要了解金属波导与谐振腔。

一、 金属波导的一般特性传输电磁能量或电磁信号的途径可分为两类，一类是电磁波在空间或大气中的传播，另一类是电磁波沿波导系统的传播。

人类最初应用的电磁波导波系统是双线传输线，双线传输线主要用在频率较低的场合，当使用频率逐步提高时，双线传输线的传输损耗以及辐射损耗急剧的增加，为了克服辐射损耗，采用了同轴线结构。

但是同轴线中所采用的模式仍然是TEM模，必须有内外两根导体，到了频率更高时内导体的损耗变得很严重。

在微波频段即分米波段和厘米波段人们发现，用一根中空的金属管来传输电磁波是可行的和方便的。

在空管中不可能传播TEM模式，因此采用TE模或TM模，这就是金属波导或称为波导管。

到了短毫米波段及亚微毫米波段金属波导的截面积尺寸太小，加工不易，因此采用介质波导作为传输系统。

在光波段使用光学纤维和光波导也是介质波导。

光学纤维简称光纤现在已成为传输电磁信号的主要手段。

为了近似地实现短路面的边界条件可以用具有高导电率的导体即金属构成的边界面，这样就形成金属波导或称波导管。

金属波导可以由一根波导管构成，也可以由多根波导管构成。

略去导体表面损耗时，可将边界看作短路面。

波导波的特点是存在一个截止频率，当工作频率高于截止频率时，纵方向为快行波，横方向为驻波，工作频率低于截止频率时，纵方向成为衰减场或渐消场，横方向仍然为驻波。

金属波导的传播特性为ωc=T/(με)1/2 =cT/(με) 1/2或Fc= cT/2∏(με) 1/2临界状态下，电磁波在介质中的波长就是横向波长，即λT=2∏/T=1/fc(με)1/2相应的临界状态下真空中的波长称为临界波长。

当电磁波的角频率大于波长的临界角频率时，电磁波可在波导中传播，反之，波导是截止的。

临界角波数决定于波导的截面形状和尺寸。

二、 金属波导的波阻抗金属壁是由良导体构成而非理想导体，因此电磁波在波导中传播时一定会有功率损耗，从而造成电磁波沿传播方向上的衰减。