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双频介质谐振器天线的研究

周洪宝  
【摘要】:随着材料科学的发展,具有高介电常数和高热稳定性的均匀介质材料不断涌现,为介质谐振器的工业生产提供了物质基础;近三十年来,众多研究人员不遗余力地研究介质谐振器天线并发表了很多具有理论价值或实用价值的论著,为介质谐振器天线的研究奠定了坚实的理论基础。介质谐振器天线具有如损耗低、品质因数高和易于馈电等诸多优点,日益受到无线电设备研发人员的青睐,并在若干无线电领域里得到了广泛的应用。介质谐振器天线在天线领域具有巨大的潜在应用价值和广阔的发展前景。 介质谐振器天线由介质谐振器和馈电结构构成。介质谐振器从根本上决定了天线的性能,其谐振频率和场分布决定了天线的频带特性和辐射方向图;而馈电结构则是使介质谐振器成为天线对外辐射电磁波的关键因素,将决定激励介质谐振器工作于何种模式,常见的馈电方式有探针馈电、微带馈电、缝隙耦合、共面波导耦合以及介质镜像线耦合等。本文深入了研究矩形截面和圆柱介质谐振器的谐振模的本征值及其场分布,为后续研究提供了理论基础。 本文将设计宽带介质谐振器和双频介质谐振器天线,两种天线的激励方式具有相似性,宽带天线可视为多个频带彼此相连而成。 由于探针馈电方式具有可获得较宽的带宽的优点,本文采用探针馈电分别激励改进型介质圆柱和带空气空腔的半球形介质谐振器以获得宽带性能和双频性能。宽带介质谐振器天线的工作频带覆盖8.6~25.9GHz,其相对阻抗带宽高达100%;双频介质谐振器天线的两个工作频带分别为3.4-4GHz和5.3~5.9GHz,前者可作为WiMAX的工作频带,后者覆盖了ISM频带(5.8GHz)和U-NII2频带。 本文对比研究了改变介质体形状导致的天线性能的改变,主要体现在激励产生新的工作频带,从而使天线获得宽带性能或双频带性能。仿真结果表明,剖分介质圆柱可以增强天线的工作带宽,但由于破坏了介质圆柱的良好对称性,可能导致天线的远场辐射方向图的恶化,主要表现为整个工作带宽内方向图可能不再满足高度相似性,但这也为设计多波束形状的天线提供了契机。


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