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一种适用于波束扫描的宽带低剖面介质谐振器天线

崔伦雪 范鑫 余洋 杨汶汶 陈建新

崔伦雪,范鑫,余洋,等. 一种适用于波束扫描的宽带低剖面介质谐振器天线[J]. 电波科学学报,xxxx,x(x): x-xx. DOI: 10.12265/j.cjors.2021239
引用本文: 崔伦雪,范鑫,余洋,等. 一种适用于波束扫描的宽带低剖面介质谐振器天线[J]. 电波科学学报,xxxx,x(x): x-xx. DOI: 10.12265/j.cjors.2021239
CUI L X, FAN X, YU Y, et al. A low-profile wideband dielectric resonator antenna suitable for beam-steering applications[J]. Chinese journal of radio science,xxxx,x(x): x-xx. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021239
Citation: CUI L X, FAN X, YU Y, et al. A low-profile wideband dielectric resonator antenna suitable for beam-steering applications[J]. Chinese journal of radio science,xxxx,x(x): x-xx. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021239

一种适用于波束扫描的宽带低剖面介质谐振器天线

doi: 10.12265/j.cjors.2021239
基金项目: 国家自然科学基金(62071256),毫米波国家重点实验室开放课题(K202112),江苏省高校“青蓝工程”资助
详细信息
    作者简介:

    崔伦雪 (1998—),女,山东人,硕士生,主要研究方向为射频与微波集成电路、天线理论及技术.范 鑫 (1999—),男,江苏人,硕士生,主要研究方向为射频与微波集成电路、天线理论及技术.余 洋 (1994—),男,江苏人,硕士生,主要研究方向为射频与微波集成电路、天线理论及技术

    范鑫 (1999—),男,江苏人,硕士生,主要研究方向为射频与微波集成电路、天线理论及技术

    余洋 (1994—),男,江苏人,硕士生,主要研究方向为射频与微波集成电路、天线理论及技术

    杨汶汶 (1984—),男,江苏人,博士,副教授,主要研究方向为射频与微波集成电路、天线理论及技术

    陈建新 (1979—),男,江苏人,博士,教授,主要研究方向为微波集成电路与天线、新工艺诸如LTCC和介质陶瓷在微波电路与天线中的应用

    通讯作者:

    杨汶汶 E-mail: wwyang2008@hotmail.com

  • 中图分类号: TN820.2

A low-profile wideband dielectric resonator antenna suitable for beam-steering applications

  • 摘要: 近年来,为解决传统介质谐振器天线(dielectric resonator antenna, DRA)体积庞大等问题,新颖的低剖面DRA如介质贴片天线和平面介质天线被提出并迅速成为研究热点. 然而,现有的低剖面DRA设计要么平面尺寸较大(>0.5 λ0 × 0.5 λ0),要么带宽较窄(<10%),限制了它们的实际应用. 文中提出了一种具有小型化平面尺寸的宽带低剖面DRA. 本天线采用介质贴片设计,顶部为高介电常数的介质贴片,中间为低介电常数的介质基板,底部为缝隙馈电结构. 缝隙馈电结构可激励起介质贴片谐振器的基模TE111和高次模TE131两种工作模式,这两种模式的场分布在贴片边缘部分存在基模场强较弱而高次模场强较强的显著区别. 本设计巧妙地利用了该区域的模式场强区别,通过略微增加贴片边缘部分高度来显著影响高次模谐振频率而轻微影响基模谐振频率,从而将高次模TE131的谐振频率迅速下拉并与基模TE111的谐振频率靠近合并,在不增大介质贴片平面尺寸的前提条件下获得宽带工作效果. 本天线的三维尺寸为0.35 λ0 × 0.35 λ0 × 0.08 λ0 (λ0为中心频率处的空气中波长),线极化实物案例测试结果表明该天线具有18.5%的-10 dB阻抗带宽以及7.3 dBi的最大增益. 该天线平面尺寸小,适用于具有波束扫描功能的阵列天线设计;且提出的设计理念还可进一步拓展应用于圆极化天线设计.
  • 图  1  DRA结构图

    Fig.  1  Configuration of the DRA

    图  2  介质贴片谐振器的电场分布图

    Fig.  2  Electric field distribution of the dielectric patch resonator

    图  3  DRA设计步骤

    Fig.  3  Design steps of the DRA

    图  4  DRA的实物图

    Fig.  4  Photograph of the DRA

    图  5  DRA反射系数和增益的仿真及测试结果

    Fig.  5  Simulated and measured reflection coefficients and gains of the DRA

    图  6  DRA方向图的仿真及测试结果

    Fig.  6  Simulated and measured radiation patterns of the DRA

    图  7  1×5 DRA全波仿真模型

    Fig.  7  Configuration of the 1×5 linear polarized DRA array

    图  8  1×5 DRA阵列的全波仿真二维波束扫描图

    Fig.  8  Simulated 2-D beam steering patterns of the 1×5 DRA array

    图  9  拓展的CP DRA结构图

    Fig.  9  Configuration of the circularly polarized DRA

    图  10  5.2 GHz处TE111简并模电场分布图

    Fig.  10  E-field distribution of TE111 mode at 5.2 GHz

    图  11  拓展的CPDRA仿真结果

    Fig.  11  Simulated results of the circularly polarized DRA

    图  12  拓展的CPDRA方向图仿真结果

    Fig.  12  Simulated radiation patterns of the circularly polarized DRA

    表  1  本文设计天线与现有相关设计的性能对比

    Tab.  1  Performance comparisons with reported works

    文献相对带宽/%增益/dBi辐射单元尺寸波束扫描技术应用
    [10]10.496.750.5 λ0×0.5 λ0×0.04 λ0受限
    [11]40.0010.50.77 λ0×0.77 λ0×0.1 λ0受限
    [12]12.007.61.6 λ0×0.2 λ0×0.2 λ0受限
    [15]12.309.71.17 λ0×1.17 λ0×0.154 λ0受限
    [16]4.888.750.51 λ0×0.51 λ0×0.05 λ0受限
    本设计18.507.30.35 λ0×0.35 λ0×0.08 λ0适合
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-31
  • 录用日期:  2022-02-14
  • 网络出版日期:  2022-02-14

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