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含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线研究

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含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线研究3

杨　锐󰂍　谢拥军　王　鹏　杨同敏

(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,西安　710071)

(2006年11月21日收到;2007年1月29日收到修改稿)

将谐振腔引入微带结构,分析和设计了含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线.基于左手介质对右

手介质的相位补偿效应,此新型微带天线的高度并没有因为双层基底而大为增加,反而有所降低.计算表明:在一

些情况下,大幅度提高的带宽特性突破了传统微带天线的窄带局限,而在另一些情况下,所得到窄带微带天线能够

在单频率点谐振鉴频.针对这一特性,将亚波长谐振腔微带天线应用于探测器中,显示了此新型微带天线在目标探

测上的优势.

关键词:微带天线,左手介质,谐振腔

PACC:4110H

3教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号:NCET20420950)资助的课题.

󰂍E2mail:mattomato811118@yahoo.com.cn11引言

本世纪以来,一种被称为左手介质的人工复合

材料在许多学科领域内获得了广泛的青睐,对其研

究也呈现迅速发展之势,而早在1968年,Veselago[1]

就从理论上分析了这种具有负介电常数和负磁导率

的电介质材料的全新物理特性.这种介质因其波矢

量、电场方向和磁场方向满足左手螺旋关系故而得

名.在被提出后的30年里,左手介质这一具有颠覆

性的概念却一直处于无人理睬的尴尬境地,直到

Smith等[2,3]第一次实际合成出这种自然界并不存在

的介质,它的超常规电磁特性[4—18](如凋落波汇聚特

性[15,16]、相位补偿效应[17,18]等),再次引发了人们的

无限遐想.

利用左手介质来提高常规器件电气性能和突破

原有限制,将引起包括固体物理、材料科学、光学和

应用电磁学等领域的重大变革.具体到微带天线的

研究方面,由于左手介质的引入,其带宽窄、增益较

低等缺陷得到了明显的改善[19—24].本课题组也对左

手介质基底微带天线做出了系统的分析

.研究表明,

相应地改变左手介质基底的介电常数和磁导率,可

以取得主瓣宽度窄且仰角低的新型辐射特性,从而

有效改变传统微带天线辐射定向性差的不足[23,24].但是,现有文献多局限于在单层基底中部分[20,21]或

完全[22—24]填充左手介质来提高和改善传统微带天

线性能,对于含有左手介质多层基底微带天线的讨

论并不多见.

本文提出了含有左手介质双层基底的亚波长谐

振腔微带天线,将谐振腔引入微带结构.根据谐振方

程,分析和设计了此新型微带天线.利用左手介质对

右手介质的相位补偿效应有效地降低了天线高度.

计算表明:在一些情况下,大幅度提高的带宽特性突

破了传统微带天线的窄带局限,而在另一些情况下,

所得到的窄带微带天线能够在单频率点谐振鉴频.

针对这一特性,将亚波长谐振腔微带天线应用于探

测器中,显示了此新型微带天线在目标探测上的

优势.

21理论分析

2111含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带

天线模型

如图1所示,a和b表示矩形贴片的尺寸.图2

给出了此亚波长谐振腔微带天线的模型.如图2所

示,d1和d2分别定义了双层基底的高度;负的εr1,

μr1和正的εr2,μr2代表了左手介质和右手介质的介第56卷第8期2007年8月100023290Π2007Π56(08)Π4504205物　理　学　报

ACTAPHYSICASINICAVol.56,No.8,August,2007ν2007Chin.Phys.Soc.

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net电常数和磁导率.与传统微带天线不同,此新型微带

天线中,矩形贴片、接地板和中间的两层介质构成了

z方向的一维谐振腔,电磁场相应地分布于上下两

理想导体之间.因此,边缘散射场有了更加重要的意

义,扮演着此新型微带天线工作中联系谐振腔内、外

部电磁场的重要角色.

图1　矩形贴片尺寸

图2　

含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线模型

2121含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带

天线的设计

不同于传统微带天线的设计,对于此新型微带

天线的分析,我们重点考虑其内部谐振腔的谐振方

程[17]

n2μ2tan(n1k0d1)+n1μ1tan(n2k0d2)=0,(1)

式中k0表示空气中的波矢量,n1和n2分别代表了

左手介质和右手介质的折射率.

n1=-εr1μr1,

n2=εr2μr2.

电磁波在图2所示的相邻连续的左手介质和右

手介质基板中传播,由于相位相反,左手介质会对右

手介质进行相位补偿.所以,只要在相邻两介质层中

相位变化的模值相等,电磁波在通过图2所示的双

层基板后,相位变化将完全抵消.这使得由矩形贴片、接地板和左手介质、右手介质双层平板所组成的

谐振腔系统其谐振方程(1)不依赖于两介质层的各

自厚度,而直接取决于它们的比值[17].所以,此双层

基底谐振腔微带天线仍然可以保持在亚波长高度,

甚至还可以大幅度降低.这对于将谐振腔引入传统

微带天线是难以达到的,因为当天线基底单纯由右

手介质组成时,满足谐振方程的最小高度为半波长.

若满足

n1k0d1=-n2k0d2,(2)

n2μ2=n1μ1,(3)

则谐振方程(1)成立.而且,由于(2)式等号两端的波

矢量k0被直接消去,谐振方程(1)将与频率无关.这

表明由矩形贴片、接地板和左手介质、右手介质双层

平板所组成的谐振腔系统将在任何频率下都谐振,

从而使得频率因素对于此新型微带天线性能的影响

大为削弱.另一方面,如果所选参数满足谐振方程

(1)却不满足(2)式,则天线内部谐振腔只能在固定

频率点上谐振.若此频率点与微带天线工作频率重

合,则此新型微带天线具有单频率点谐振鉴频特性.

31数值结果

3111宽带亚波长谐振腔双层基底微带天线

若选择天线参数为a=0140cm,b=3180cm,

εr1=μr1=-4100,εr2=μr2=0180,d1=0125mm,d2=1125mm,此时内部谐振腔系统将在任何频率下谐

振.图3给出了此新型微带天线的回波损耗S11.从

图3可以看出,以3135GHz为中心频率,小于-10

dB的相对带宽达到了21179%.这大大改善了传统

微带天线通常小于5%的窄带宽局限.在3107和

3161GHz得到了两个谐振频率点,相应的回波损耗

分别为-29195和-24162dB.图4给出了此新型微

带天线工作在3107GHz时的E面(虚线内)和H面

(实线内)的方向图.从图4可以看出,所得到的方向

图与传统微带天线类似.此天线的总高度d=1150

mm与工作在此频率下的传统单层微带天线相当,

但这已经突破了传统谐振腔引入微带天线的半波长

局限.

实际上,基于左手介质的相位补偿效应,此天线

的高度还可以降低

.保持其他参数不变,令d1=

0110mm,d2=0150mm,此时天线总高度d=50548期杨　锐等:含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线研究

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图3　当d1

=01

25mm,d2=1125mm时

,宽带亚波长谐振腔双层

基底微带天线的回波损耗　a=0140cm,b=3180cm,εr1=μr1=

-4100,εr2=μr2=0180

图4　宽带亚波长谐振腔双层基底微带天线的E面和H面方向

图　a=0140cm,b=3180cm,εr1=μr1=-4100,εr2=μr2=0180,

d1=0125mm,d2=1125mm,虚线内为E面,实线内为H面

0160mm.图5给出了该天线的回波损耗S11.如图5

所示,小于-10dB的带宽仍然很大,但相比于图3

所示的天线已经减小.保持与图3所示天线基本不

变的工作中心频率3136GHz,该天线的相对带宽为

9152%.这一结果再次证明了此亚波长谐振腔微带

天线可以比传统微带天线大幅度提高带宽.但单一

的降低基底厚度会缩减微带天线带宽这一规律仍然

适用[25],

并没有因为左手介质的引入而有所改变

.

3121窄带亚波长谐振腔双层基底微带天线

若选择天线参数为a=0140cm,b=3180cm,

εr1=μr1=-2180,εr2=3110,μr2=1100,d1≈0141图5　当d1=0110mm,d2=0150mm时,宽带亚波长谐振腔双层

基底微带天线的回波损耗　a=0140cm,b=3180cm,εr1=μr1=

-4100,εr2=μr2=0180

mm,d2≈1109mm,此时内部谐振腔将只在2140

GHz频率谐振.天线的高度d=1150mm仍与在此

工作频率下的传统微带天线相当.图6给出了该微

带天线的回波损耗S11.从图6可以看出,小于-10

dB的相对带宽为6167%,中心频率为2140GHz.值

得注意的是,这一频率恰好与谐振腔的工作频率相

等,也基本与天线的谐振频率2139GHz一致,保证

了此新型微带天线与其内部谐振腔同时工作,从而

拥有单频率点谐振鉴频特性.图7给出了该新型微

带天线在2140GHz工作频率下的E面(虚线内)和

H面(实线内)的方向图,可以看出其辐射特性仍然

与传统微带天线类似.

图6　当d1≈0141mm,d2≈1109mm时,窄带亚波长谐振腔双层

基底微带天线的回波损耗　a

=0140cm,b=3180cm,εr1=μr1=

-2180,εr2=3110,μr2=1100

与宽带亚波长谐振腔双层基底微带天线类似,

此窄带亚波长谐振腔双层基底微带天线的高度也可6054物 理 学 报56卷

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宽带介质谐振器天线的研究与设计

宽带介质谐振器天线的研究与设计

摘 要

I 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

基于左手传输线的波束扫描微带漏波天线

基于左手传输线的波束扫描微带漏波天线

第３６卷第４期　南京理工大学学报　２０１２年８月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１２　

基于左手传输线的波束扫描微带漏波天线　

汪霆雷　，徐　琰　，李贵泉。，刘其中　

（１．西安电子科技大学天线所，陕西西安７１００７１；２．上海航天技术研究院８０２研究所，上海２０００９０；　３．同济大学物理系，上海２０００９２）　

摘　要：为了进一步提高天线波束扫描技术，该文基于复合左右手传输线理论设计了波束可扫　描的微带漏波天线。探讨了漏波天线的辐射特性．实现了随频率变化时天线波束在半空间内从　

后向到前向连续扫描的功能；运用Ａｎｓｏｆｔ　Ｄｅｓｉｇｎｅｒ软件进行仿真，在频扫天线单元的基础上加　

载不同电容实现了固定频率下天线波束的扫描。测试结果显示，漏波天线工作于３．６０　ＧＨｚ，加　载１．０　ｐＦ电容的微带天线后向辐射，波束指向一５０。；加载１．４　ｐＦ电容的微带天线前向辐射，波　

束指向３２ｏ。仿真结果与测试结果吻合，实现了一种低成本的波束扫描天线。　关键词：复合左右手传输线；漏波天线；波束扫描　

中图分类号：ＴＮ８２２　文章编号：１００５—９８３０（２０１２）０４—０７０１—０５　

Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　Ｌｅａｋｅｙ－ｗａｖｅ　Ａｎｔｅｎｎａ　ｆｏｒ　Ｂｅａｍ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

Ｌｅｆｔ．ｈａｎｄｅｄ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅ　

ＷＡＮＧ　Ｔｉｎｇ—ｌｅｉ　，ＸＵ　Ｙａｎ　，ＬＩ　Ｇｕｉ—ｑｕａｎ　，ＬＩＵ　Ｑｉ．ｚｈｏｎｇ　

（１．Ａｎｔｅｎｎａ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉｄｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎｏ．８０２　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅｆｌｉｇｈｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９０，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｔｏｎ￣ｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　

基于左手传输线的波束扫描微带漏波天线 2

基于左手传输线的波束扫描微带漏波天线 2

基于左手传输线的波束扫描微带漏波天线

汪霆雷;徐琰;李贵泉;刘其中

【摘 要】To further increase the antenna beam scanning technology, a

microstrip leakey-wave antenna for beam scanning is designed using the

complex right/left hand transmission (CRLH) line theory. The radiation

characteristics are studied. The antenna beam continuously scans from

backward to forward within half space with varying frequencies. The

software Ansoft Designer is used to simulate and the antenna beam

scanning is achieved in a fixed frequency by loading different capacitors

on the basis of frequency-scanning antenna units. The test results show;

when the leakey-wave antenna works at 3. 60 GHz, the microstrip antenna

beam of the afterward radiation leads to -50?by loading 1. 0 pF capacitor;

the microstrip antenna beam of the forward radiation leads to 32?by

loading 1.4 pF capacitor. The simulation results are consistent with the test

介质谐振器天线研究进展

介质谐振器天线研究进展

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.