介质谐振器天线的理论与设计方法研究

摘要

随着无线通信系统的飞速发展，天线作为其关键性部件也受到了越来越多的关注。介质谐振器天线（dielectric resonator antenna，下文中简称为DRA）具有尺寸小、工作频带宽以及辐射效率高等特点，既能够广泛适用于目前工作频率较低的无线通信系统，又在毫米波通信系统中具有非凡的应用前景。本文对DRA的工作原理进行了研究，并提出了系统化的DRA设计方法。此外，还提出了几种新的DRA设计概念，并实现了良好的天线性能指标。
　　本研究主要内容包括：⑴开展了DRA工作原理及设计方法的研究。研究了无源情况下介质谐振器储存能量和辐射能量的关系，基于理论推导分析了介质谐振器可以被用作为天线辐射结构的原因。从时域角度定义了DRA的两个工作阶段，对这两个阶段内DRA中的能量关系进行了讨论。提出一个适用于DRA工程分析和设计的一阶近似分析设计模型，该模型将DRA分为辐射结构和馈电结构两个部分，并指出了该模型中DRA的性能参数与这两个组成部分之间的对应关系。此外还讨论了 DRA馈电结构对其辐射结构的影响作为对该一阶分析模型的补充。并在此基础上总结了一套系统化的DRA设计方法，并讲述了选择辐射结构和馈电结构时的基本原则。最后，基于电磁理论解释了混合DRA的工作原理，并提出了一款宽带圆极化混合DRA，实现了24.6％的天线圆极化工作带宽。⑵开展了DRA新型辐射结构设计的研究。基于介质波导法和等效介电常数法对介质分层矩形谐振器进行了分析，给出了其中谐振模式的理论计算公式。在此基础上研究了宽带介质分层矩形DRA的工作原理，以及讨论了DRA设计中经常遇到的空气缝隙问题。此外还分析了阶梯形介质谐振器，对其中的谐振模式进行了定义，并提出了一款双频宽带圆极化阶梯形DRA，该天线的两个圆极化工作带宽分别为9.7%和20.0%。⑶开展了DRA新型馈电结构设计的研究。提出了一种宽带优化DRA设计新思路。该方法使用宽带馈电结构来激励介质谐振器中的谐振模式，从而充分激发出介质谐振器中谐振模式的辐射能力。然后提出了单臂螺旋缝隙和阿基米德螺旋缝隙这两种宽带馈电结构，并基于这两种馈电结构研制了三款宽带圆极化DRA。其中阿基米德螺旋缝隙馈电的矩形DRA利用矩形介质谐振器的TEx111/TEy111模实现了25.5%的天线圆极化工作带宽，阿基米德螺旋缝隙馈电的阶梯型DRA基于阶梯形介质谐振器的准TEx111/TEy111模和准TEx113/TEy113模实现了53.4%的天线圆极化工作带宽。⑷开展了DRA方向性设计新方法的研究。基于工作模式组合的概念提出了一种 DRA方向性设计方法。基于该设计思路利用矩形介质谐振器的TEx121模和TEy211模进行组合，实现了一个全向矩形 DRA，并将此合成的工作模式命名为准TM011模。给出了准TM011模谐振频率和场分布的解析计算公式，讨论了准TM011模的存在条件和激励方法。另外还证明了矩形DRA的TEx141模和TEy411模可以组合为一个高次的全向辐射模式准TM012模，并利用馈电探针同时激励起矩形DRA的准TM011模和准TM012模，实现了一款涵盖3.5GHz WiMAX频段和5.8GHz WLAN频段的双频全向矩形DRA。⑸开展了DRA新材料的研究。研究了使用纯水作为介质材料的新材料DRA。提出了一种提高纯水DRA辐射效率的方法，解决了纯水DRA辐射效率低的瓶颈性问题，使纯水DRA的实用成为可能。然后基于纯水DRA提出了一种结合超宽带馈电结构和频率可重构辐射结构的频率可重构天线设计新思路，并研制了两款频率可重构纯水 DRA。其中阿基米德螺旋缝隙馈电的频率可重构纯水 DRA具有圆极化性能，且实现了155MHz-400MHz的连续频率可调范围以及高达90%的天线辐射效率。而锥形探针馈电的频率可重构纯水DRA具有全向辐射性能，且实现了165MHz-700MHz的连续频率可调范围以及80%的天线平均辐射效率。这两款天线与目前文献中所报道的频率可重构天线相比具有频率可调范围宽和天线辐射效率高的优点。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 介质谐振器天线的发展历史

1.3 介质谐振器天线的研究现状

1.4 本论文的主要贡献和创新点

1.5 本论文的结构安排

第二章 介质谐振器天线的原理和设计方法新探索

2.1 引言

2.2 电介质的辐射机理

2.3 介质谐振器电磁辐射物理过程认识

2.4 介质谐振器天线的能量关系及变化过程

2.5 介质谐振器天线分析设计方法

2.6 混合介质谐振器天线

2.7 本章小结

第三章 介质谐振器天线的新型辐射结构设计与研究

3.1 引言

3.2 规则形状介质谐振器

3.3 介质分层矩形谐振器

3.4 圆柱阶梯形介质谐振器

3.5 矩形阶梯形介质谐振器

3.6 本章小结

第四章 介质谐振器天线的新型馈电结构设计与研究

4.1 引言

4.2 宽带馈电结构的工作原理

4.3 一种新型单臂螺旋缝隙馈电结构

4.4 一种新型阿基米德螺旋缝隙馈电结构

4.5 本章小结

第五章 介质谐振器天线的方向性设计新方法研究

5.1 引言

5.2 矩形介质谐振器的两个高次谐振模式分析

5.3 矩形介质谐振器天线的全向性设计

5.4 双频全向矩形介质谐振器天线设计

5.5 基于双/多点馈电的天线方向性设计方法讨论

5.6 本章小结

第六章 介质谐振器天线的新材料研究

6.1 引言

6.2 纯水材料的电性能参数

6.3 纯水介质谐振器辐射效率

6.4 纯水介质谐振器辐射效率改善方法

6.5 纯水介质谐振器天线性能特性

6.6 基于纯水介质谐振器天线的频率可重构天线设计新方法

6.7 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果