介质谐振器测向天线

抽象

使用机械测向和目标跟踪的圆柱形介质谐振器天线的思想，提出。所述接收天线包含两个端口的混合馈送网络：一个用于垂射型和图案，另一个用于单极型差图案。所提出的设计制造和用于概念验证实验测试。Both linearly polarized patterns were obtained around 2.6 GHz. The coupling between the sum and difference ports is measured to be smaller than −30 dB, and the 3 dB width of the minimum in the difference pattern is 10°.

1.简介

介质谐振器天线（DRA的）是其它常规天线类型和替代解决方案优选用于无线系统的应用由于它们的有利特性，例如它们的大小小，辐射效率高，宽阻抗带宽，和低欧姆损耗[1-6]。最近，深入的研究工作表明，通过令人兴奋的多独立模式的同时使用单一介质谐振器实现多功能设备的可能性。这样的实现中用于过滤，振荡，包装和散热的目的[7-10]。这在双用途的单个DRA的纸张报告，在操作和差模式，如在报道11]。

传统上，机械测向天线用任一环或偶极天线单元[内置12]。在雷达应用中，螺旋形和喇叭天线已被用于精确测向[13]。在这里提出了使用机械方向寻找单个DRA的替代设计。该操作是通过比较两个DRA图案接收到的信号来实现的。这些模式是通过令人兴奋的HEM获得_11δ通过两个T形贴片，一旦出的相位，一次在相，模式以产生宽边类型和辐射模式的单极型。由于其体积小的，所提出的DRA可以用于近似手持目标的发现，但它也可以被用作用于反射器天线的馈送在点对点的应用程序的准确测向。

部分2下面提供了所提出的设计的配置和所使用的设计过程的简要描述。中科3，模拟结果与测量结果进行比较。附录提供混合馈电网络用于将天线的分析。

2.建议设计几何

所提出的设计的几何结构图勾勒1，其中底部视图显示了用于更好地理解设计配置。It consists of a cylindrical dielectric resonator of 36.6 dielectric constant, 13.27 mm radius, and 8.33 mm height placed on top of a two-layer substrate with back-to-back ground plane alignment. To excite the resonator’s hybrid HEM_11δmode at two different ports simultaneously, a printed microstrip feeding network is placed on the bottom substrate layer of 10.2 dielectric constant and 0.625 mm thickness while coupled to the resonator through two T-shaped patches placed underneath the resonator and connected to the feeding network through conducting “vias” as shown in Figure1。威尔金森功率分配器被用来提供两个端口之间的隔离所需的。很显然在附录中描述，这也增加了损失。的正面和背面的照片示于图2。

测向系统是基于和与差的概念。这将是容易解释在操作的发送模式和差的辐射模式。因为互易的，天线图案是相同的在接收或操作的传送模式的天线是否被使用。当功率被施加到求和端口，示于图的顶部1中，两个通孔激发的相，并用相等的幅度的反对介质谐振器，这是因为顶部左微带线是一个半波长比右上方微带线长。通过使用电磁仿真包HFSS的[14]，可以绘制为介质谐振器的这样的激发所产生的电场分布。数字图3（a）示出在介质谐振器的上表面上的电场。可以看出，大部分的电场的内部和所述谐振器的外部的水平定向。这样的场分布会产生水平极化远场，这将有在垂射方向的最大辐射。出于这个原因，在图的顶部的天线端口1被称为总和端口。

在另一方面，当电源被施加到在图的底部端口1即激励介质谐振器的两个通孔被馈送以相同的相位和幅值相等，因为微带线通向通孔是等长的。对于这样的激发电场的分布图绘制图3（b）。据观察，大部分的场矢量的彼此相对在宽边辐射的辐射。特别地，谐振器外部的场强和在径向方向上取向的多为，象是由单极代替介电共振器的制造。出于这个原因，在图的结构的下端口1被称为差端口。由于场线是径向的，并垂直于电介质表面上，其强度仅仅是介质的外侧比所述径向分量强只是内部由介电常数的值。

该结构由与所述共同点接触彼此的两个微带基板。The top layer substrate has 2.94 dielectric constant and 1.524 mm thickness so that the HEM_11δmode is expected to resonate around 2.4 GHz. The bottom layer feeding network is shown as solid lines in Figure1而上层的t形斑块以虚线表示。提出的下摆微带馈线网络_11δ模式激励被印刷在所讨论的模块的底面上。使用HFSS设计软件[进行模拟设计14]。为了让HEM_11δ模式与介质谐振器耦合，两个T形补片用如图进行“通孔”放置在介电共振器的下方，而连接到所述底面的微带电路4。

为了实现和与差的端口匹配，并将它们之间的隔离可接受，威尔金森功率分配器被用于[15]。在输出端口的仿真和测量的结果，在图中所示五，demonstrate that an isolation of more than 30 dB between the sum and difference ports was achieved, while both ports are matched to better than −10 dB around the frequency of 2.6 GHz.

如附录中所示，如果总和端口被激发时，两个通孔将在幅度和异相，并且如果差值端口被激发时，两个通孔将在幅度和相位相等相等。

3.测量和模拟的结果

从图所提出的几何1建并测量来验证计算结果。所提出的结构的物理布局是图2，其中顶视图在图中示出图2（a）在T形贴片的顶部附接谐振器之后。在另一方面，微带馈电网络在图观察图2（b）为了保持完整性。

The original design was intended to work around 2.4 GHz which makes it applicable for WLAN applications. The measurements on the fabricated design showed the operating frequency to be centered at 2.6 GHz. A disagreement was probably caused by machining inaccuracies and by the existence of an air gap under the resonator. Table1列出了所有的设计参数被在上述附图中使用。

一个fter the simulated results were scaled to frequency 2.6 GHz, one can observe an acceptable agreement with the measured results, as shown in Figure五。The isolation between the difference and sum ports is in the range of 30 dB within the bandwidth of interest.

远场辐射图案也进行了测量，以验证天线测向目的的适合性。测定两个和与差的辐射图，并与模拟结果进行了比较，如图6和7， 分别。

在这两个XZ和YZ平面中观察到单极型的辐射图案时激动人心同时终止差端口匹配负载的总和端口如图6。The measured cross-polarization level is at least 17 dB below the copolar level as predicted by the simulations. Broadside type patterns were obtained when exciting the sum port while terminating the difference port with matched load, as shown in Figure7。一个cross-polar level is measured to be at least 22 dB below the copolar level.

我们没有测量天线的增益，但我们计算的方向性与HFSS软件[14]。In the broadside direction, the directivity of the sum radiation pattern is 6.3 dB, and the directivity of the difference radiation pattern in the same direction is −22.2 dB. Therefore, the cross coupling of −30 dB, measured in Figure五，是最小的可靠检测足够小。从图所测量的辐射图案图6（b）我们估计，可以期望在YZ平面上的跟踪操作的分辨率为±5°或更好。

4。结论

使用圆柱形介质谐振器来实现测向天线系统的概念已被设计，制造和测试。当介质谐振器在两个不同的端口进行激励，观察两个单极型和宽边类型的辐射图案。介质谐振器天线的作用围绕HEM_11δ模式共振，这产生线性偏振远场图案。模拟和测量结果进行了证明，这样的结构可以在方向寻找系统来施加。这个天线的预期应用是定位辐射源的位置。由于其体积小，它可以是手持式，例如，定位在一个足球场的停车位停放的汽车的位置。用较小尺寸的修改，该结构可以被制成适合于WLAN的应用。

附录

混合饲料网络分析

混合馈电网络的示意图示于图8。The characteristic impedances of all the interconnecting microstrip transmission lines are equal to 50 Ω. The sum port，shown on top of the diagram, is normalized to 25 Ω, and the difference port，shown on the bottom, is likewise normalized to 25 Ω for simplicity of analysis. As shown in Figure1，the input impedances of the sum and difference ports are later transformed with quarter-wave transformers back to 50 Ω, but this is of no importance for the analysis described below. The T-junctions between the 50 Ω and 25 Ω lines are denoted by letter J, and the Wilkinson power dividers [15]用字母W来表示两个端口将被连接到通过通孔的电介质谐振器天线被表示为左端口右端口。

表示相互连接的传输线的相位长度至。对于网络在另一方面，相长度已被选择如下：

注意，混合馈电网络不同于传统的混合环[16]因为前者的总周长为2个波长，而后者的圆周只有1.5波长。

方便的是在分区形式以显示整个网络的整体散射矩阵。为此目的，定义了输出和输入的波列向量在天线端口

类似地，在供给口的传出和传入波矢量是

馈电网络的整体散射矩阵，然后在分块形式的所描述 哪里是2×2矩阵。当从相位长度（A.3）时，对应的矩阵出来是

假设入射波被施加到端口和剩下的三个端口在匹配负载终止（即=== 0）。从（A.4）， 它遵循

因此，信号来端口的出与从港口出来的信号相位相反吗根据需要在垂射方向上的最大辐射。不幸的是，权力的总和来港的出和端口只有一半的电力进入端口吗。输入电源的另一半是威尔金森功率分配器消散。以类似的方式，它被发现时，电源被应用到端口，而其他三个端口终止于匹配负载，端口和被激发的具有相等的振幅和相位相等的要求，在宽边方向上的零辐射。此外，一半的功率损失威尔金森功率分配器内。

从…可以看出…A.5）和（A.9）有端口之间不存在交叉耦合和端口，当天线端口被终止在匹配负载。这是因为是零矩阵，由于威尔金森功率分配器。

当介质谐振器天线插入端口之间和的可能性产生了对端口之间的交叉耦合和。天线通过其散射矩阵描述

在图耦合衬垫的尺寸4have been designed for the input impedance to be close to the 50 Ω value. The remaining reflection coefficient, here denoted by，是绝对值大于单位相当小的复数。天线的传输系数，在这里表示为，也与绝对值小于1的复数。因此，天线散射矩阵的形式为

为了评价交叉耦合的量，（A.12）被用来消除和从（A.4）和（A.5）。端口之间将所得的两端口和然后，通过描述17页。251]

以来和都小，逆矩阵运算出现在（A.13）可以近似为如下：

因此，前三个矩阵的术语是：

在执行矩阵乘法后（A.15），发现非对角线项为零。因此，端口从端口去耦的，只要该天线是无源的倒数，它是建立在一个对称的方式，使得其阻抗矩阵具有这样的形式，如在（A.12）。在另一方面，在矩阵的主对角线条款不为零。正因为如此，在矩阵的主对角线的非零项指示该介质谐振器天线有助于失配端口看到和。

致谢

这项工作得到了美国国家科学基金会的资助。ecs - 524293。作者要感谢Trans-Tech公司提供了免费的介质谐振器样品，罗杰斯公司提供了免费的层压基板。

参考文献

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