基于基片集成波导馈电的差分介质谐振器天线设计开题报告

随着时代的迅速发展,各行各业对通信系统的性能要求不断提高。由于5G、物联网、雷达、导航等对天线的要求更加苛刻,天线领域因此面临着更大的挑战。传统矩形波导天线体积大、加工繁琐、生产周期长、成本过高,微带天线虽然体积小、易集成,但其存在固有损耗较大、功率容量较小、串扰大、品质因数较低等问题,无法满足当今时代的需求。在实际应用中,天线正朝着小型化、宽带化、高Q值化、多频段化、高集成度化发展。具有低损耗、高Q值、低成本、高可靠性、高功率容量的基片集成波导天线克服了传统矩形波导天线和微带天线的缺点并兼具其优点,这为天线领域的发展提供了更好的选择。同时，基片集成波导（Substrate integrated waveguide,SIW）技术成为了一个热门的技术研究方向。

介质谐振器天线（dielectric resonator antenna,即DRA）因具有设计自由度高、损耗低、辐射效率高、馈电方式简单多样、易激励等优点而被广泛地应用于现代无线通信系统,同时在毫米波频段也具有极高的潜在应用价值。因此,研究基于基片集成波导馈电的介质谐振器天线具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

介质谐振器的形状有多种，设计具有很大的灵活性。即介质谐振器天线馈电方式较多：探针、缝隙耦合、微带线、共面波导等，且其他天线的馈电技术都比较容易地应用到介质谐振器天线中。

微带电路技术和集成电路技术也有固定的确定，例如：严重的电磁波泄露和辐射、较大的插入消耗等。本课题研究分析SIW的TE₂₀模，在此基础上，利用该模设计差分激励微带贴片天线，对其尺寸进行优化，使其在所需要的工作频段内插入损耗和反射损耗达到最小。

介质谐振器天线常见的辐射模式TE模、TM模和HE模。介质谐振器的辐射模式与介质谐振器天线的形状和馈电方式有关。

（1）半球形介质谐振器天线，半球介质谐振器天线的模式有TE模和TM模，最常用的是基 模TE₁₁₁和TM₁₀₁。

（2）圆柱形介质谐振器天线，圆柱介质谐振器天线的模式有TE模、TM模和HEM模，基模分别是TE_01δ、TM_01δ和HEM_11δ。

（3）矩形介质谐振器天线，矩形介质波导中的场模式可以分为TE和TM模。由于介质谐振器天线一般都要放在地板上，所以TM模式基本很难被激励起来，而TE模式会比较常见。对于基模来说，高次模的远场辐射的定向性更好，增益也更高。

不同形状的介质谐振器天线可产生的辐射模式是不一样的。因此可根据设计的需求来选择因此可根据设计的需求来选择合适的形状。但同时馈电方式的选择及其位置的选择也对决定哪些模式被激励起着重要的作用，并对谐振频率和Q值产生影响，从而对天线的阻抗和辐射特性产生影

响。大部分馈电方式都适用于介质谐振器天线，比如探针馈电、微带线馈电、缝隙馈电、共面波导馈电等等。

(a)探针馈电结构，探针可等效为垂直电流，放置在天线电场最强的地方可以实现与介质谐振器之间的强耦合。比较常用的是放置在介质谐振器中间或者侧面进行馈电，另外可通过调节探针长度来调节阻抗匹配。探针馈电不需要添加额外的馈电网络，更适，用于低频段天线馈电。但需要在地板配合打孔，探针被放置在中间贯穿介质谐振器时，甚至介质也需要钻孔。而且探针会产生电偶极子辐射，可能会影响天线的辐射特性。

(b)微带线馈电，可用于激励矩形介质谐振器天线的TH_δ11模式或圆柱形介质谐振器天线的TE_11δ模式。微带线与介质谐振器之间的耦合可以通过调整微带线的长度或者其与介质谐振器天线之间的相对位置来控制。但是由于微带线与介质谐振器在同一个平面上，其产生的寄生辐射可能会对天线的辐射特性产生一定的影响。同时，当介质谐振器的介电常数太小时，很难通过微带线馈电激励。

(c)孔径耦合馈电，即微带线耦合缝隙馈电。缝隙可以是矩形、C字型或环形。如图所示的矩形缝隙可等效为平行于缝隙的磁流，因而缝隙的位置可根据相应的电磁场分布放置在磁场最强的位置以实现强耦合。这种馈电方式与微带线馈电相比，可以减弱和避免微带线带来的寄生辐射。

本课题根据SIW的TE20模差分激励微带贴片天线，并通过合理的参数设置拓宽微带贴片天线的带宽。课题研究成果以天线模型搭建和仿真结果体现。

参考文献：

[1]杨美娣.新型宽带介质谐振器天线研究[D]. 广州：华南理工大学, 2020.

[2]张桃艳.基于基片集成波导的天线设计[D]. 昆明：云南大学, 2017.

[3]卢亮.介质谐振器天线及基片集成波导馈电的圆极化阵列设计[D]. 西安：西安电子科技大学, 2017.

[4]邹孟.介质谐振器天线的理论与设计方法研究[D]. 成都：电子科技大学, 2017.

[5]杨俊秀, 赵文来, 李霖.一种简易差分微带贴片天线的设计[J]. 浙江理工大学学报(自然科学版), 2016, 35(03): 398-402.

[6]杨楠, 梁国华.基于方向图分集技术的介质谐振器天线近期研究进展[C]. 2020年全国微波毫米波会议论文集（上册），2020:369.

[7]郭胜杰,吴林晟,毛军发.微带线馈电型宽带介质谐振器滤波天线[C]. 2019年全国天线年会论文集（下册）,2019: 120-122.

[8]谭冠南,杨雪霞,王业清.基片集成波导缝隙耦合馈电的微带贴片天线[C]. 2013年全国天线年会论文集（上册）, 2013: 37-40.

[9]Wang W., Chen C., Wang S. and Wu W. Switchable dual-band dual-sense circularly polarized patch antenna implemented by dual-band phase shifter of ±90° [J]. IEEE Trans. Antennas and Propag., 2021, 69(10): 6912-6917

[10]Amor Smida. Gain enhancement of dielectric resonator antenna using electromagnetic bandgap structure [J]. Computers, Materials Continua, 2022, 71(1) : 1613-1623.

[11]Taohua Chen et al. A Wideband Differential-Fed Microstrip Patch Antenna Based on Radiation of Three Resonant Modes [J]. International Journal of Antennas and Propagation, 2019, 2019 : 1-7.

[12]Zou M. and Pan J. Wide dual-band circularly polarized stacked rectangular dielectric resonator antenna [J]. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., 2016, 15: 1140-1143.

[13]X. Liu, K. W. Leung and N. Yang. Wideband horizontally polarized omnidirectional cylindrical dielectric resonator antenna for polarization reconfigurable design [J]. IEEE Trans. Microw. Theory and Techn., 2021, 69(11): 7333-7342.

[14]Khan R., Jamaluddin M. H., Kazim J. U. R., Nasir J. and Owais O.. Multiband-dielectric resonator antenna for LTE application [J]. IET Microw. Antennas Propag., 2016, 10(6): 595–598.

[15]Jaschke T., Rohrdantz B., Mitto H. K., and Jacob A. F. Ultrawideband SIW-fed lens antenna [J]. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., 2017, 16: 2010-2013.