介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析汇总

介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析引言：介质谐振器是一种利用介质谐振的现象来实现电磁波的选择性传输的器件。

而介质谐振器天线则是利用介质谐振器的特性来改善天线性能，提高辐射效率和增加天线的带宽。

因此，对于介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析具有重要意义。

本文将针对这两者进行详细介绍。

一、介质谐振器的建模与分析介质谐振器是一种通过调整介质中电磁场分布的谐振结构。

在电磁学中，介质谐振器一般被建模为具有闭合边界的空腔，谐振模式的产生取决于构成空腔结构的形状、尺寸和材料的介电常数。

对于介质谐振器的建模与分析，可以采用有限差分时间域(FDTD)、有限元方法(FEM)等数值计算方法。

1.FDTD方法：FDTD方法是一种基于电磁场的数值模拟方法，通过将空间离散化为网格，时间离散化为时间步长，利用基本的麦克斯韦方程的差分形式来模拟电磁场的时空演化。

对于介质谐振器，可以将其建模为一个三维网格，然后根据麦克斯韦方程对电磁场进行计算，得到谐振模式的分布情况。

2.FEM方法：有限元方法是一种广泛应用于工程领域的数值计算方法，它是通过将计算域离散化为有限个单元，构建节点之间的关系来模拟问题的数学模型。

对于介质谐振器的建模与分析，可以利用FEM方法对其进行离散化处理，然后利用有限元方程求解得到谐振模式的分布。

二、介质谐振器天线的建模与分析介质谐振器天线是在传统天线的基础上引入了介质谐振器的特性来改善天线性能。

在建模介质谐振器天线时，需要考虑天线基底、介质谐振器、辐射元件等多个参数。

对于介质谐振器天线的建模与分析，可以采用微带线模型、模态扩展法等方法。

1.微带线模型：微带线模型是一种常用的介质谐振器天线建模方法，它利用介质材料在微带线上的衬底上形成谐振结构。

这种模型中，通过改变衬底的尺寸、相对介电常数等参数，可以调整天线的谐振频率和带宽。

2.模态扩展法：模态扩展法是一种用于分析多模谐振器的数值方法，通过求解波方程的特征值和特征场来得到谐振器的模态特性。

摘要天线作为无线网络和无线设备中将导行波转化成电磁波传播的核心部件，在无线通信中起着十分重要的作用，而介质谐振天线(DRA)作为一种新型天线在近些年的到了广泛的研究。

介质谐振器具有独特的三维结构，设计结构多样；且介质谐振器没有导体损耗，辐射效率较高，十分适用于毫米波段；此外，DRA还有馈电方式灵活，易于集成等优势，由此可见对研究DRA对天线领域有着重大的意义。

由于应用需求，天线的宽带技术在通信界及产业界一直备受重视，介质谐振天线具有其灵活的宽带技术，宽带介质谐振天线的应用前景不容忽视。

本文对宽带介质谐振天线展开了研究，具体工作包括：1、对近年来各种宽带介质谐振天线进行举例说明，对介质谐振器的带宽展宽技术进行研究并分类总结，介质谐振器的宽带技术大致可以分为以下几个：采用新型结构、优化馈电机制、使用混合天线、降低天线Q值、增加天线寄生单元。

对基本结构的介质谐振器场分布及主要参数进行介绍，对介质谐振天线馈电方式进行分类总结。

2、设计了一种混合结构宽带介质谐振天线，该天线为微带贴片天线加载矩形介质谐振器做为介质谐振天线，设计一定尺寸的介质谐振器，使之谐振频率在微带天线频率附近，从而达到展宽带宽的效果，天线采用微带线馈电。

经过优化设计，该天线获得88.27%的相对带宽，频率覆盖1.31-3.38GHz 。

并且对所设计天线进行了加工测试，测试结果显示天线增益最大可达到10.93dB，辐射效率最大达到89.24%。

3、设计了一种毫米波段宽带介质谐振天线，设计合适的天线尺寸和选用合适的相对介电常数材料，使天线的谐振频率在毫米波段，介质谐振器为半圆环拱桥形结构，采用镂空的结构是为了在介质谐振器与介质基板之间引入空气层，从而降低天线的Q值，进而展宽带宽。

所设计的天线具有优秀的带宽特性，天线的带宽覆31.2-64.4GHz，具有33.2Ghz的回波损耗带宽，相对带宽为69.46%，天线的谐振频率点在36.8GHz，在整个工作频段内的天线平均增益在6dB左右，平均辐射效率在76%左右。

介质谐振器天线原理传统的天线一般采用导电介质制造，如金属，有线电视等。

然而，金属材料的导电性给天线带来了一些限制，如对频率的依赖性和耐腐蚀性的问题。

因此，研究者们开始探索使用非导电材料制造天线，其中介质谐振器天线是一种独特的选择。

介质谐振器天线的基本原理是利用材料的介电性质，在频率选择性的谐振场中产生较大的电场，从而增强天线的辐射效果。

谐振场是指介质中存在的强烈电场，当天线的谐振频率与谐振场的频率非常接近时，其辐射效果会得到增强。

具体来说，介质谐振器天线是由一个悬浮在介质中的天线和一个聚焦容器组成。

聚焦容器是一个非导电的材料制成的，具有特定的电介质常数和尺寸。

当高频信号被输入到天线中时，由于天线和聚焦容器之间的电场交互作用，介质中会形成一个强烈的谐振场。

这个谐振场可以有效地集中电磁能量，并将其从天线中辐射出去。

介质谐振器天线的工作频率取决于天线和聚焦容器的尺寸和材料的介电常数。

通过调整这些参数，可以改变天线的谐振频率，使其适应不同的工作频率范围。

这种天线结构的优点之一是具有较窄的带宽，因此可以减少对其他频段的干扰。

与传统的金属天线相比，介质谐振器天线具有许多优点。

首先，由于介质具有较高的电介质常数，天线可以更有效地聚焦电能，从而提高辐射效率。

其次，非导电材料具有较低的损耗，可以减少由于导电材料引起的减弱效应。

此外，非导电材料还具有良好的耐腐蚀性和耐候性，可以更长时间地保持天线的性能。

总体而言，介质谐振器天线是一种通过利用材料的介电性质来增强天线性能的创新解决方案。

通过调整天线和聚焦容器的参数，可以使天线在特定的谐振频率下工作，实现较好的辐射效果。

这种天线结构具有较高的辐射效率、较低的损耗和良好的耐腐蚀性，适用于各种通信和雷达系统中。

第3章介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析3.1介质谐振器介质谐振器的流程图：3.1.1介质谐振器的建模介质谐振器的模型有很多中，本文主要是以圆柱形介质谐振器为参考，其中，介质谐振器的尺寸均是由本人视个人情况设定。

本模型由三部分组成：谐振腔、谐振介质和基片，如图所示：谐振腔谐振介质谐振器基片3.1.2谐振器的设计与仿真分析（1）开始前的准备工作上网下载电磁波仿真系统HFSS软件，进行安装。

打开HFSS软件桌面快捷方式，启动HFSS软件。

新建一个工程，名称为yuancong.hfss ，然后设计解决方案类型。

在HFSS软件中，具有三种求解方法。

分别是受驱模式求解、受驱终端求解和本征模求解。

下面是三种求解方式的区别：本征模求解：计算结构的本征模或谐振是一般采用本征模求解方式。

本征模求解可算出结构的谐振频率和在这些谐振频率出对应的场，也可计算出品质因数。

因为本征模问题不包含端口和源，所以介质谐振器运用的求解方式是本征模求解方式。

受驱模式求解：想用HFSS计算基于微波传输带、波导、传输线等被动高频结构的基于模式的S参数时，选用Driven Modal。

S参数解决将用一系列波导模的入射和反射能量来表示。

受驱终端求解：想用HFSS计算基于终端的多导体传输线端口的S参数时，采用受驱终端求解。

（2）设计模型单位选择软件的单位以毫米为单位。

（3）创建空气腔选择菜单项创建空气腔，其圆柱体的基坐标为（x=0,y=0,z=0）,并且键入半径为15mm，高度为10mm。

并且勾选显示框架项。

（4）创建新材料由于介质谐振器是由高介电常数和低损耗的介质材料制成，所以要创建高介电常数的材料。

ε=36，命我们在三维模型材质中创建新材质，其中，谐振介质的介电常数r名为DielRes.在实际天线设计中，谐振器要放在介质基片之上，基片下面是接地板，接地板如果与谐振器较近就会对谐振频率和品质因数有影响，而且谐振器材ε=9.6.料的介电常数必须远大于基片的介电常数。

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 Permittivity.IEEETransonMTT.1976,24(2):1O8～l126V erpMnkenM.BladelJ_TheMagnetic-DipoleResonancesofRingR~onatorsofV eryHig hPermktvity.IEEETtansol3MTT,1979,27(4):328～3337DeSmadtR.CorrectionDuetoaFinitePermittivityforaRingResonatorinFreeSpace.IEEE TransoeMTT,1984,32(10):1288～12938DeSmadtR.DielectricResonatorAboveanElectricorMagneticWall,ArchElekUbe~ragu ag(AEU),1983.37(1)l6～149BirandMT,GelsthorpeRV.ExperimentalMfllimetrieArmyusingDielectricRadiatorsFad MeansofDielectricWavaguide,ElecttonLett.1981.17(9):633～63510LgngSA.McallisterM,ShenLC.TneResonanto恤raIDielectricCattyAntenna—IEEETransol2AP,1983,31(5):4O6～412IIMongiaRK,BhartiaP.DielectricResonatorAntennas--AReviewandGeneralDBsignRel ations如tReso-nantFrequencyandBandwidth.IntJOfMg~tWcAE.1994,4(3):230~24712WuZ,DidosG,hMA,eta1.DieleCtricResonatorAntennasBasedwithFiniteGroundPlan e*,InConfonM+RF,London,l996.414~419(编辑尤雪玉) ThemeasurementofresOnancefrequenciesofdielectric resOnatorantennasanditsapplications8haJizkang(HohaiUniv..Changzhou,213022)Z..(UMIST,Manchester,M601QD,UK)AbstractDielectricresonatorantennasarebrieflyintroduced.TheresoNaFiO~frequenciesandQofa cylindricaldielectricresonatorantennaaremeasuredbyasimplemeasuringsystem.Theresu ltsobtmnedarewellcoincidentwiththoseofcalculation.Finally,theapplicationofthesystemto 8rmeasurementisillustratedwithanexampie. KeyWerdsdielectricresonatorsdielectricantennasmicrowawresonatorsdielectric COnStantn1eaSuf℃merit。

介质谐振器天线原理引言:天线是无线通信系统中的重要组成部分，它负责将电磁波转换为电信号或将电信号转换为电磁波。

介质谐振器天线是一种常见的天线类型，其工作原理基于介质谐振器的特性。

本文将对介质谐振器天线的原理进行详细介绍。

一、介质谐振器的基本原理介质谐振器是一种能够在特定频率下产生共振现象的装置。

它由一个或多个介质构成，其中包含一定的电容和电感。

当外加电源施加在介质谐振器上时，电容和电感之间将产生共振，使谐振器具有特定频率的响应。

二、介质谐振器天线的结构介质谐振器天线通常由导体和介质构成。

导体是天线的主要结构，它负责收发电磁波。

介质则用于调节天线的频率响应。

常见的介质包括空气、塑料、玻璃等。

三、介质谐振器天线的工作原理当电磁波传输到介质谐振器天线时，它将与介质发生相互作用。

介质的特性将对电磁波的传播产生影响，使得在特定频率下，天线能够实现最佳的电磁波辐射或接收效果。

具体而言，当电磁波传输到介质谐振器天线时，电场和磁场将与介质中的电荷和电流相互作用。

这种相互作用将导致电磁波在天线中发生谐振。

谐振的频率由天线的结构和介质的特性决定。

四、介质谐振器天线的特点介质谐振器天线具有以下特点：1. 频率选择性：介质谐振器天线只在特定频率下才能实现较好的工作效果，而在其他频率下的响应较弱。

2. 增益增强：介质谐振器天线通过调节介质的特性，可以增强天线的辐射或接收效果，从而提高天线的增益。

3. 尺寸缩小：通过利用介质谐振器的特性，可以实现天线尺寸的缩小，从而减小设备的体积和重量。

4. 抗干扰性：介质谐振器天线在特定频率下的工作，使其对其他频率的干扰具有较好的抑制能力。

五、应用领域介质谐振器天线广泛应用于无线通信系统中，包括移动通信、卫星通信、无线传感器网络等。

其尺寸小、增益高、抗干扰性强的特点，使其成为无线通信系统中重要的天线选择。

结论:介质谐振器天线是一种基于介质谐振器原理的天线类型。

通过调节介质的特性，使天线在特定频率下实现共振，从而提高天线的辐射或接收效果。

介质谐振天线回波损耗和谐振器形状在无线通信中，天线是起着至关重要的作用，它们不仅需要具有高效的辐射特性，还需要满足一定的机械强度和电磁兼容性要求。

介质谐振天线是一种常见的天线类型，它可以通过选择合适的介质材料和谐振器的形状来实现所需的电磁特性，但是在设计过程中需要充分考虑回波损耗和谐振器形状对天线性能的影响。

1. 介质谐振天线的基本原理介质谐振天线是利用谐振器在介质材料中的谐振模式来实现天线的辐射，并且在设计中通常会考虑谐振器的形状和介质材料的特性。

在介质谐振天线中，回波损耗和谐振器形状是影响天线性能的重要因素。

2. 回波损耗的影响回波损耗是指天线辐射出的电磁波在传输过程中由于介质材料的损耗而产生的能量损失。

回波损耗会导致天线的辐射效率下降，并且在一些特定频率处会产生严重的功率损失。

在设计介质谐振天线时，需要通过选择合适的介质材料和优化谐振器的形状来降低回波损耗，以实现更好的天线性能。

3. 谐振器形状的优化谐振器的形状对介质谐振天线的性能影响也非常显著。

合适的谐振器形状可以有效地调节天线的辐射特性，在一定程度上减小回波损耗，并且可以实现更宽的工作频带和更高的辐射效率。

传统的谐振器形状包括直线、圆形、矩形等，而在实际设计中也可以通过优化形状参数来实现更好的性能。

4. 个人观点和总结对于介质谐振天线的设计来说，回波损耗和谐振器形状都是影响天线性能的重要因素。

在实际工程中，需要充分考虑这两个因素，并且通过合理的设计和优化来实现所需的天线性能。

未来，随着新材料和新工艺的应用，介质谐振天线将会有更广阔的发展空间，而回波损耗和谐振器形状优化也将变得更加重要。

介质谐振天线的回波损耗和谐振器形状对天线性能有着重要的影响，需要在设计过程中充分考虑和优化，以实现更好的性能和更广泛的应用。

通过对介质谐振天线的回波损耗和谐振器形状进行全面评估，可以更好地理解这一话题，希望本文的内容能够对您有所帮助。

介质谐振天线是一种常见的无线通信天线，通过谐振器在介质材料中的谐振模式来实现天线的辐射。