介質(zhì)諧振器天線的理論與設(shè)計方法研究.pdf

1、隨著無線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，天線作為其關(guān)鍵性部件也受到了越來越多的關(guān)注。介質(zhì)諧振器天線（dielectric resonator antenna，下文中簡稱為DRA）具有尺寸小、工作頻帶寬以及輻射效率高等特點，既能夠廣泛適用于目前工作頻率較低的無線通信系統(tǒng)，又在毫米波通信系統(tǒng)中具有非凡的應(yīng)用前景。本文對DRA的工作原理進(jìn)行了研究，并提出了系統(tǒng)化的DRA設(shè)計方法。此外，還提出了幾種新的DRA設(shè)計概念，并實現(xiàn)了良好的天線性能指標(biāo)。
　

2、　本研究主要內(nèi)容包括：⑴開展了DRA工作原理及設(shè)計方法的研究。研究了無源情況下介質(zhì)諧振器儲存能量和輻射能量的關(guān)系，基于理論推導(dǎo)分析了介質(zhì)諧振器可以被用作為天線輻射結(jié)構(gòu)的原因。從時域角度定義了DRA的兩個工作階段，對這兩個階段內(nèi)DRA中的能量關(guān)系進(jìn)行了討論。提出一個適用于DRA工程分析和設(shè)計的一階近似分析設(shè)計模型，該模型將DRA分為輻射結(jié)構(gòu)和饋電結(jié)構(gòu)兩個部分，并指出了該模型中DRA的性能參數(shù)與這兩個組成部分之間的對應(yīng)關(guān)系。此外還討論了 D

3、RA饋電結(jié)構(gòu)對其輻射結(jié)構(gòu)的影響作為對該一階分析模型的補充。并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了一套系統(tǒng)化的DRA設(shè)計方法，并講述了選擇輻射結(jié)構(gòu)和饋電結(jié)構(gòu)時的基本原則。最后，基于電磁理論解釋了混合DRA的工作原理，并提出了一款寬帶圓極化混合DRA，實現(xiàn)了24.6％的天線圓極化工作帶寬。⑵開展了DRA新型輻射結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究?；诮橘|(zhì)波導(dǎo)法和等效介電常數(shù)法對介質(zhì)分層矩形諧振器進(jìn)行了分析，給出了其中諧振模式的理論計算公式。在此基礎(chǔ)上研究了寬帶介質(zhì)分層矩形DRA的

4、工作原理，以及討論了DRA設(shè)計中經(jīng)常遇到的空氣縫隙問題。此外還分析了階梯形介質(zhì)諧振器，對其中的諧振模式進(jìn)行了定義，并提出了一款雙頻寬帶圓極化階梯形DRA，該天線的兩個圓極化工作帶寬分別為9.7%和20.0%。⑶開展了DRA新型饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究。提出了一種寬帶優(yōu)化DRA設(shè)計新思路。該方法使用寬帶饋電結(jié)構(gòu)來激勵介質(zhì)諧振器中的諧振模式，從而充分激發(fā)出介質(zhì)諧振器中諧振模式的輻射能力。然后提出了單臂螺旋縫隙和阿基米德螺旋縫隙這兩種寬帶饋電結(jié)構(gòu)，

5、并基于這兩種饋電結(jié)構(gòu)研制了三款寬帶圓極化DRA。其中阿基米德螺旋縫隙饋電的矩形DRA利用矩形介質(zhì)諧振器的TEx111/TEy111模實現(xiàn)了25.5%的天線圓極化工作帶寬，阿基米德螺旋縫隙饋電的階梯型DRA基于階梯形介質(zhì)諧振器的準(zhǔn)TEx111/TEy111模和準(zhǔn)TEx113/TEy113模實現(xiàn)了53.4%的天線圓極化工作帶寬。⑷開展了DRA方向性設(shè)計新方法的研究?；诠ぷ髂Ｊ浇M合的概念提出了一種 DRA方向性設(shè)計方法?；谠撛O(shè)計思路利用矩

6、形介質(zhì)諧振器的TEx121模和TEy211模進(jìn)行組合，實現(xiàn)了一個全向矩形 DRA，并將此合成的工作模式命名為準(zhǔn)TM011模。給出了準(zhǔn)TM011模諧振頻率和場分布的解析計算公式，討論了準(zhǔn)TM011模的存在條件和激勵方法。另外還證明了矩形DRA的TEx141模和TEy411?？梢越M合為一個高次的全向輻射模式準(zhǔn)TM012模，并利用饋電探針同時激勵起矩形DRA的準(zhǔn)TM011模和準(zhǔn)TM012模，實現(xiàn)了一款涵蓋3.5GHz WiMAX頻段和5.8G

7、Hz WLAN頻段的雙頻全向矩形DRA。⑸開展了DRA新材料的研究。研究了使用純水作為介質(zhì)材料的新材料DRA。提出了一種提高純水DRA輻射效率的方法，解決了純水DRA輻射效率低的瓶頸性問題，使純水DRA的實用成為可能。然后基于純水DRA提出了一種結(jié)合超寬帶饋電結(jié)構(gòu)和頻率可重構(gòu)輻射結(jié)構(gòu)的頻率可重構(gòu)天線設(shè)計新思路，并研制了兩款頻率可重構(gòu)純水 DRA。其中阿基米德螺旋縫隙饋電的頻率可重構(gòu)純水 DRA具有圓極化性能，且實現(xiàn)了155MHz-400