赵思雨，姬五胜，周祥伟，程琳琳

（1.天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222；2.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

无线通信技术已经从第1 代（1G）迅速发展到了第5 代（5G），5G 已经渗透到人们的日常生活中，其高速的毫米波通信技术正在世界范围内迅速发展[1]，随着6 GHz 以下频谱资源的日益紧张，5G 系统将进一步把频谱资源扩展至100 GHz 的频段[2]。我国公布的5G 技术毫米波的试验频段有24.75～27.5 GHz 和37～42.5 GHz，这些频段毫米波的应用已经成为一个研究热点[3]。毫米波具有波长短、频带宽、信息容量大、频谱资源丰富、传输特性良好等[4]优势，因此受到全世界研究机构及通信企业关注，许多军用与民用系统的工作频率已扩展到毫米波频段。在工作于毫米波的天线中，介质谐振器天线（die-lectric resonator antenna，DRA）的出现，替代了传统的低增益元件，其选用的介质材料介电常数为2～140，具有较强的稳定性，介质谐振器天线因其特有的优势，如损耗小、馈电方式多样、辐射效率高等优点，引起了学术界和业界的广泛关注[5]，介质谐振器的形状有多种，如圆柱形[6]、矩形[7]、半球形[8]等。

介质谐振器天线有多种优化以及馈电的方法，如采取H 形、环形以及组合缝隙等多种优化的方式[9]，采取同轴、微带线、L 形探针[10]、椭圆形共面探针[11]以及倒梯形共面探针[12]进行馈电等方法。缺陷地结构（defected ground structure，DGS）于20 世纪90 年代提出[13]，通过调节缺陷地结构，可以优化介质谐振器天线的性能。文献[14]将缺陷地结构与U 形微带线结合，优化介质谐振器的天线，使天线达到较好的增益和回波损耗。本文主要研究圆柱形介质谐振器天线，圆柱形介质谐振器已在微波电路有诸多应用，其结构的紧凑性以及高品质因数Q 值，使其成为毫米波天线的理想选择。圆柱形DRA 具有较强的设计灵活性，可以实现对谐振频率和带宽的调节[15]。

1 圆柱形介质谐振器天线设计

1.1 介质谐振器天线的工作机理

介质谐振器是一个辐射体，介质谐振器天线通常选用特定几何形状的介质谐振器加馈电结构来实现，通过馈电结构，把电磁波耦合到介质谐振器上，激励介质谐振器产生多种谐振模式，从而介质谐振器天线通过整个谐振器的表面进行辐射。介质谐振器天线主要有以下几种特征：介质谐振器天线的大小与λ0/εr成正比，其中：λ0为自由空间波长；εr为材料的介电常数。当介电常数固定时，谐振频率以及品质因数Q 值也会受到介质谐振器天线的尺寸比例影响，从而增加了设计的灵活性；通过选择具有低损耗的介电材料，即使在毫米波频率下，由于没有表面波的损耗，也可以保持较高的辐射频率；介质谐振器天线可以使用多种馈电机制，包括探针、槽、微带线以及共面波导等方法；在介质谐振器天线中，可以激发多种模式，产生定向或者全向辐射模式。

1.2 圆柱形介质谐振器天线

圆柱形介质谐振器天线结构如图1 所示。由图1可知，天线的馈电方式为微带馈电，并采用两边馈电的形式，有效地增加了天线的带宽。该天线通过U 形微带线激励介质谐振器，使介质谐振器与空气的界面近似于开路面，此时圆柱形介质谐振器的表面可看成磁壁，电磁波在界面上的反射系数接近于1，使其成为一个谐振腔。将介质谐振器放在自由空间中，使其处于辐射模式，从而可以辐射电磁波。设计采用的介质谐振器材料的介电常数为7，能够减少暴露，使大部分电磁场集中在介质谐振器中。相比于传统的圆柱形介质谐振器天线，本文所设计的天线由于其馈电结构和缺陷地结构等方面的影响，仿真结果优于传统的、尺寸相同的圆柱形介质谐振器天线。

图1 圆柱形介质谐振器天线的结构

天线介质基板的材料选用Rogers RT/duroid 5880（tm），介电常数εr1=2.2，长、宽、高分别为l1=10 mm、w1=15 mm、h=0.508 mm。圆柱形介质谐振器的中间部分通过与其截面同样大小的圆形孔垂直嵌入到介质基板中，两端暴露在空气中；圆柱形介质谐振器的介电常数εr2=7，高度h1=8.5 mm，半径r1=1.45 mm。

天线采用微带线的馈电方式，并且在微带线右侧采用切割1/2 圆环的方法设计为U 形；l2为微带线的长度，w2为微带线的宽度，l2=6.96 mm，w2=0.6 mm；rd为圆环结构的外半径，rx为内半径，rd=3 mm，rx=2 mm，U 形微带线的宽度为1 mm。

图1（c）中为缺陷地结构，该缺陷地结构相当于在接地面上减去一个圆形孔，圆形的半径rdgs=1.8 mm，略微大于圆柱形介质谐振器的半径。该结构可以增加天线的阻抗带宽，优化回波损耗S11参数。

2 圆柱形介质谐振器天线特性分析

2.1 确定天线馈线的微带线宽度

利用Txline2003 软件计算平行微带线的宽度，利用Ansoft HFSS 15 电磁仿真软件对介质谐振器天线进行优化和分析。本文中天线有U 形微带线和缺陷地结构，主要影响天线的回波损耗S11和天线的方向图增益等性能，通过调节参数rdgs、rx以及rd，优化天线的回波损耗S11和天线增益等。

Txline2003 软件可以在已知基片材料、基片厚度、天线中心工作频率以及微带线特性阻抗的情况下，计算出微带线的最佳宽度。在Txline2003 软件的Microsrtip界面上，选用介电常数εr2=7，损耗角正切值为1，50 Ω微带线，0.508 mm 的高度以及谐振频率42.5 GHz 的天线材料后，计算得到天线馈线的平行微带线最佳宽度为0.6 mm。

2.2 缺陷地结构尺寸对S11参数的影响

天线的回波损耗S11随参数rdgs的变化曲线如图2所示。

图2 缺陷地结构对S11 参数的影响

取rdgs即缺陷地结构的圆形半径参数分别为1.7 mm、1.8 mm、1.9 mm 以及2.0 mm，通过仿真软件HFSS 进行优化，优化结果显示，当参数rdgs=1.8 mm 时，回波损耗S11参数最好，S11能够到达-42.71 dB，且天线的阻抗带宽（S11<-10 dB）能够达到3.53%，中心频率达到42.5 GHz，即最终选择rdgs=1.8 mm。

2.3 圆环结构尺寸对S11参数的影响

U 形微带线的宽度对S11参数的影响如图3 所示。从图3（a）可知，rx参数变化对回波损耗S11的影响。取rx即圆环结构内半径的值分别为1.9 mm、2.0 mm、2.1 mm，可以看出，随着rx的增大，介质谐振器天线的中心频率会降低，当rx=2.0 mm 时，介质谐振器天线的回波损耗S11最佳，其回波损耗S11能够达到-42 dB，天线的阻抗带宽（S11<-10 dB）为3.76%，且中心频率为42.5 GHz，此时rd=3 mm，rd-rx=1 mm，即U 形微带线的宽度为1 mm。从图3（b）可知，rd参数变化对回波损耗S11的影响，取rd即圆环结构外半径的值分别为2.9 mm、3.0 mm、3.1 mm，可以看出，随着rd的增大，介质谐振器天线的中心频率会降低，当rx=3.0 mm时，介质谐振器天线的回波损耗S11最佳，其回波损耗S11能够达到-42.7 dB，天线的阻抗带宽（S11<-10 dB）为3.76%，且中心频率为42.5 GHz，此时rx=2.0 mm，rd-rx=1 mm，即U 形微带线的宽度为1 mm。

图3 U 形微带线的宽度对S11 参数的影响

2.4 圆柱形介质谐振器天线的方向图

利用Ansoft HFSS 15 电磁仿真软件，对天线的方向图进行仿真，3D 方向图如图4 所示，2D（H-E）方向图如图5 所示。

图4 圆柱形介质谐振器天线的3D 方向图

图5 圆柱形介质谐振器天线的2D（H-E）方向图

本设计天线采用了缺陷地（DGS）结构，故会存在少量的辐射。由图5 可知，该天线在中心频率42.5 GHz时增益最高可达到7.34 dBi。该增益值对天线而言，属于较高增益，能够很好地将能量有效集中，这表明所设计的天线有较强的辐射和接收电磁波的能力。

2.5 圆柱形介质谐振器天线的S11参数以及轴比

优化后的天线回波损耗S11的结果如图6 所示。由图6 可知，天线的回波损耗（S11<-10 dB）的带宽为41.8～43.4 GHz，中心频率为42.5 GHz，相对阻抗带宽为3.76%。使天线的工作频带达到了毫米波频段，拥有较好的天线性能。

图6 圆柱形介质谐振器天线的S11 参数

介质谐振器天线在42.5 GHz 的轴比曲线（AR<3 dB）如图7 所示。从图7 可以看出，在42.5 GHz 时，俯视角在50°～64°以及115°～121°，实现了天线的圆极化，但该圆极化范围较窄，仍要继续优化和改进，实现天线较好的圆极化性能。

图7 天线在42.5 GHz 的轴比曲线

圆柱形介质谐振天线的最终几何参数值如表1所示。本文设计的介质谐振器天线的部分参数与文献[5]的比对如表2 所示。

表1 介质谐振器天线的几何参数

表2 本文设计的介质谐振器天线的部分参数与文献[5]的比对

从表2 可以看出，本文设计的介质谐振器天线工作频段远高于文献[5]中U 型微带馈电的圆极化介质谐振器天线的工作频段，天线增益略高于文献[5]中天线的增益，但相对带宽比文献[5]中天线较低。

3 结语

本文提出了一种工作在毫米波频段的圆柱形介质谐振器天线的设计方案，该方案利用U 形微带线进行馈电，并且加入了缺陷地结构，通过调节U 形微带线以及缺陷地结构的尺寸，实现对介质谐振器天线的性能优化。该介质谐振器天线仍存在一些不足之处，如天线的圆极化不够好，实现圆极化的频段较窄，拟通过改变缺陷地结构形状以及加入微带线枝节进行改善，有待于后续进一步研究。