超高效的宽带多层介质谐振器天线和阵列 留言
超高效的宽带多层介质谐振器天线和阵列
Kristi Pance和Gianni Taraschi，罗杰斯公司
一种具有43%的阻抗带宽、同轴馈电的多层介质谐振器天线（DRA），工作带宽8-12GHz，可覆盖整个X波段。单个DRA在10GHz时表现出8.2dB的高增益，整个波段的效率大于95%。单个DRA结构包括同轴馈电和金属反射腔，其介质部分包括介电常数为10.5的内层介质和介电常数为2.1的外层介质。单个DRA的尺寸是20×20毫米和22×22毫米，其射频特性测量结果与仿真完全吻合。测量一个包含Rotman-Turner透镜的5×5的DRA组成的可扫描阵列，其阵列测量结果同样与仿真结果非常吻合，在8-12GHz的频率范围内，均可实现0到30度的多角度扫描，10GHz时增益为21.5dB。
天线是许多电磁（EM）系统的关键部分，因为它们将近场与远场EM辐射结合起来。大多数传统的天线利用金属中的电流来产生电磁辐射，然而，由于趋肤效应和金属粗糙度，金属天线在高频率下表现出效率下降。此外，基于PCB的二维天线也具有有限的带宽和增益。
DRA是由低损耗的介质材料形成的三维天线，可以有效地发射和接收电磁辐射。对于DRA来说，与导电电流相反，所谓的”近区”的EM能量几乎完全由位移电流支持，它不受趋肤效应的影响。此外，与基于金属的PCB天线相比，DRA的工作原理是在介质结构中激发多个谐振电磁模式，这使得在毫米波频率下仍可以非常高效。
此外，如果设计得当，DRA的扩展三维形状能够实现固有的、高效的宽带辐射，在整个工作频段上具有一致的辐射模式。
介质谐振器的辐射和非辐射模式
介质谐振器（DR）的谐振模式代表了不同的电磁场分布。它们的数学表示被认为是麦克斯韦-亥姆霍兹方程在某些对称性和边界条件下的解。对称性定义了数学函数的类型，边界条件确定了模式。例如，如果对称性是球形、圆柱形或矩形，麦克斯韦-亥姆霍兹方程的解将分别是球面谐波、贝塞尔函数或通常的正弦和余弦函数。
最常见的谐振器是一个圆柱形的谐振器，也被称为“冰球”，工作在其基本的横电TE01δ模式，或最低的谐振频率。由于圆柱的形状和对称性，所有的特征态或共振模都由腔内外的第一和第二类贝塞尔函数来表示，其中边界条件反映在模式指数上。
例如，对于TE01δ模式，第一个指数（0）表示径向对称性，没有方位角周期结构。第二个指数（1）表示电场有一个最大值，由贝塞尔函数J1(kr)表示，其中k是沿谐振器半径的波数。更直观地说，第二个指数代表了一个半波长拟合在谐振腔半径内的贝塞尔型函数。最后，第三个指数（δ）与沿垂直于圆柱形谐振器顶部和底部表面的z方向的模态结构有关，并与沿z方向的模态函数形式有关。在”三明治”配置的冰球的情况下，介质被放置在两个金属板之间，δ=1；在更一般的情况下，0<δ<1。
DR高阶模式的场结构更加复杂，有多种方法来表示它们。上面介绍的基于ϕ、r和z坐标的方法是由Kobayashi-Senju和Zaki-Atia针对微波系统，Snitzer针对光学系统提出的。1-3 他们还为混合模式引入了EH或HE的名称，这取决于是电场或磁场在Z方向上贡献了最主要的成分。
相比之下，我们提出了一种基于基本TE01δ和TM01δ横磁（TM）模式的直观的模式指定方法。我们省略了第一个和第三个指数，因此将基模（即单元格）称为TE1和TM1，分别代表磁偶极和电偶极（MD和ED）。图1说明了基本TE1和TM1单元的电场和磁场分布。对于这些基模，XY平面内的场线平行于圆柱形谐振器的顶部和底部表面，并表现出圆柱对称性，因此它们非常接近于”纯”TE和TM模式。
任何高阶模式都可以被表示为多个ED或MD的组合。不过在我们的例子中，TE或TM意味着”准”TE或TM。高阶模式的例子是电和磁八阶模，即Kobayashi表示法中的HE22δ和EH22δ，如图2中所示。与这些模式相对应的模拟场如图3中。在拟议的表示中，它们被称为4TM1和4TE1，或四个ED和四个MD。
图1 基本TE1（a）和TM1（b）单元的电场和磁场分布。
图2 Kobayashi表示法中的电和磁八阶模式，HE22δ（a）和EH22δ（b）。
图3 仿真场4TM1（a）和4TE1（b）。
无论模式多么复杂，它都可以用偶数的交替电偶极或磁偶极来表示。循环数，即Kobayashi命名中的第一个指数，
原文始发于微信公众号（actMWJC）
