一种基于氧化锆陶瓷的宽带圆极化双环天线

郑 闻，王诗言，范 飞，景为鉴，李涵玥，华依琳，李 银

(1.南京师范大学 电气与自动化工程学院，南京 210046；
2.鹏城实验室 宽带通信研究部，深圳 518052)

环天线作为一种结构简单的经典天线，目前已被广泛应用于各类场合。其中，一种圆极化环天线因能够实现较宽的轴比带宽而得到广泛关注。现已证实：通过在长度超过一个波长的电大环末端加载集总电抗元件或构造非闭合环，即引入间隙，均能使环天线工作于行波状态，从而实现宽带圆极化辐射[1-3]。例如：文献[1]提出了一种带有间隙的宽带非闭合菱形环天线，并研究了间隙的宽度和位置对圆极化特性的影响；
文献[2]从理论上验证了电抗加载圆极化环天线上均匀的行波式电流分布；
文献[3]将非闭合菱形环天线拓展为天线阵以提高增益。此外，寄生环以及并联馈电的多环结构也相继被提出，以实现更宽的轴比带宽[4-5]。

近年来，随着射频系统工作频率的不断提高，金属材料带来的导体损耗增大，这使得天线辐射效率降低，信号覆盖范围缩小，制约了金属天线在高频领域的应用。在此背景下，不受导体损耗影响的介质天线引起了人们越来越多的关注。各式各样的介质天线，如介质谐振器天线(DRA)[6-7]和介质棒天线[8]得到了报道。其中，一种基于高介电常数介质波导高次模辐射的行波介质天线被提出，以简化激励方式并实现宽带特性[9-13]。作为两种典型的高介电常数材料，水和氧化锆陶瓷被用于制作此类天线。文献[9-10]分别提出了纯水V型天线和倒L型天线。文献[11-13]分别提出了氧化锆陶瓷三维螺旋天线、倒L型天线和阿基米德螺旋天线。

蓬勃发展的增材制造技术(三维打印技术)给加工高介电常数材料提供了极大的便利。借助陶瓷光固化工艺，各式各样的陶瓷结构件能够被以极高的精度塑形。目前，低损耗的陶瓷材料，如：氧化锆陶瓷粉末(εr=32,tanδ=0.002)已被应用于构建各类射频器件，如滤波器[14]，天线等[11-13]，[15-16]。

本文基于高介电常数介质波导在其高次模截止区的行波辐射以及陶瓷三维打印技术，提出了一种宽带圆极化双环介质天线。相比于同样是工作于行波模式的金属宽带圆极化环天线，该介质天线的漏波辐射更易产生。探究了介质波导的辐射机理，并从线极化辐射的倒L型氧化锆陶瓷天线出发，将其弯折成单环以实现圆极化，再由单环结构拓展为双环，从而展宽天线的工作带宽。通过对比单环与双环介质天线可以发现，双环结构的轴比带宽大约是单环的3倍。

1.1 天线结构

图1展示了基于氧化锆陶瓷的宽带圆极化双环天线的俯视图和立体图。该天线由金属地板、同轴探针以及两个串联的圆介质环构成。其中，金属地板的半径为rg；
两个圆环的半径分别为rc1、rc2，角度分别为θ1、θ2。圆介质波导的截面半径为rc，其末端弯折向地板以作为支撑，并与探针相连，长度为h。探针伸出地面的高度为hp。

图1 宽带圆极化双环陶瓷天线结构Fig.1 Configuration of the wideband circularly polarized dual-loop ceramic antenna

1.2 工作原理

本文提出了一种工作于高介电常数介质波导高次模截止区的氧化锆陶瓷双环天线，其工作机理与文献[9-13]中的天线一致。已知金属波导与介质波导有着不同的截止条件。金属波导截止时(β≤0)，能量无法继续沿着波导传播，并快速衰减；
介质波导是开放结构，当其处于截止状态时，能量向外泄露辐射到空气中，使得沿波导方向没有能量传播。介质波导的截止条件为：

β≤k0

(1)

此时，可以把工作于截止状态的介质波导设计成天线。

由于圆介质波导的基模HE11不存在截止状态，因此需要激励其高次模。本文使用同轴探针激励出圆介质波导高次模之一的TM01，其截止区和传输区的工作频率fc、fτ满足[17]：

(2)

其中c表示电磁波在自由空间中的传输速度，εr和1分别表示介质和空气的相对介电常数，d表示圆介质波导的截面直径。由公式(2)可知，介质波导的工作频率主要取决于其截面尺寸和介电常数。

图2提取了工作于TM01模的长介质波导中电磁波的归一化衰减常数(α/k0)和相位常数(β/k0)。可以观察到，在截止区，β/k0的值小于1，此时介质波导工作于快波状态；
随着工作频率的升高，介质波导逐渐转变为传输能量的慢波系统。

图2 工作于TM01模的长介质波导中电磁波的归一化衰减常数α/k0和相位常数β/k0Fig.2 Normalized leakage constant (α/k0) and phase constant (β/k0) of the EM waves in the long dielectric waveguide operating at TM01 mode

为了在该双环介质天线中验证上述辐射机理，图3中使用ANSYS HFSS 2020软件绘制了该天线工作于4.5GHz时介质波导中的电场分布。可以看到，波导中的能量逐渐减弱。这说明电磁波沿着圆环逐渐泄漏到了空气中，与上述分析一致。

图3 双环天线工作于4.5GHz时介质波导中的电场分布Fig.3 Electric-field distribution in dielectric waveguide when the dual-loop antenna works at 4.5GHz

1.3 设计过程和参数分析

图4展示了该双环天线的设计过程，即结构的演化过程。其结构源于文献[12]中的倒L陶瓷天线，该天线能够实现宽带的线极化辐射。接下来，将倒L结构弯折成环，使得辐射出去的电磁波由线极化转变为圆极化。进一步，把单环结构拓展为双环，从而展宽天线的圆极化带宽。单环、双环天线的具体参数如表1所列。

图4 双环天线设计过程Fig.4 Design process of the dual-loop antenna

表1 天线参数Tab.1 Antenna parameters

基于前文的工作原理分析，双环天线的设计过程总结如下：

1)根据天线的工作频率与式(2)，确定介质波导的截面尺寸，文献[12]详细地研究了介质波导截面直径的变化对其辐射的影响；

2)为了获得圆极化辐射，将介质波导弯折成环状，根据天线的工作频率确定圆环的半径和角度(圆环的周长应超过一个波长)；

3)在单环天线已经产生圆极化辐射的基础上，将单环天线扩展成双环，考虑到环的角度对圆极化性能的影响，需要对天线参数进行最终的优化与调整，以实现所需的宽带特性。

图5展示了不同的θ2对双环天线轴比的影响。可以看到，由于第一个环的角度没有发生变化，因此低频的轴比特性未发生明显偏移；
而随着θ2的增加，天线也趋近于完整的双环，天线的轴比逐渐降低，高频处轴比特性也在向着低频偏移，并最终形成宽带特性。为了避免第二个环成为闭环，θ2最终选择为240°。

图5 双环天线中圆环2不同角度θ2时的轴比Fig.5 Axial ratios (ARs) of the dual-loop antenna under different values of θ2 of the loop 2

图6所示为倒L、单环与双环天线的反射系数。可以看到，三者都具有很宽的阻抗带宽，符合行波天线的特征，与之前的分析一致。

图6 倒L、单环与双环天线的反射系数Fig.6 Reflection coefficients of inverted-L, single-loop and dual-loop antennas

1.4 性能对比

本小节对比了单环天线与双环天线的阻抗和辐射特性，具体内容如下：

1)阻抗特性

单环与双环天线的反射系数已在图6中展示。通过观察可以发现，二者的阻抗特性相差不大。也就是说，将单环拓展为双环，对阻抗特性的影响较小，这也从侧面证实了其工作频率取决于截面。

2)辐射特性

图7和图8分别对比了单环天线与双环天线的轴比和圆极化增益。从图中可以看出，双环天线的轴比带宽大约是单环天线的3倍，且两天线都在工作频段内具有良好的右旋圆极化增益。两天线的圆极化方向主要取决于圆环的旋向。此外，双环天线的最大增益也要比单环天线稍高一些。

综上所述，通过将陶瓷单环天线扩展成双环，能够在不影响阻抗匹配的情况下，有效拓宽天线的轴比带宽，从而实现更大的频率覆盖。

图7 单环与双环天线的轴比Fig.7 ARs of single-loop and dual-loop antennas

图8 单环与双环天线的右旋圆极化增益Fig.8 Right-handed circular polarization (RHCP) radiation gains of single-loop and dual-loop antennas

采用陶瓷3D打印技术制作的氧化锆陶瓷双环与组装后的天线如图9所示。其中，金属地板由2 mm厚的铝合金板构成。借助3D打印陶瓷光固化工艺，可以精确地制造出复杂的环结构；
且打印得到的氧化锆陶瓷纯度可达99%，即整体结构的介电常数与损耗角正切值的误差均在1%以内。其中，陶瓷光固化工艺是建立在光固化工艺的基础上，为高介电常数陶瓷开发的三维打印技术。其具体过程为：先将陶瓷粉末混入液态光敏材料中，通过使用紫外线照射得到陶瓷与光敏树脂的混合物；
经过化学腐蚀、高温煅烧等后处理工艺，混合物中的树脂成分以及不需要的支撑结构被去除，以达到设计尺寸[18]。

图9 双环天线加工实物图Fig.9 Fabricated dual-loop antenna

利用天线近场测试系统，对加工的天线进行了测试。图10展示了双环天线测试与仿真的反射系数。可以观察到：仿真的天线反射系数从3.74GHz开始，一直小于-10dB；
而相较于仿真结果，测试得到的天线工作频带向高频偏移，直到4.08GHz才开始小于-10dB。该偏差主要跟加工过程中高温煅烧引起氧化锆陶瓷结构收缩形成的误差有关。

图10 双环天线仿真与测试的反射系数Fig.10 Simulated and measured reflection coefficients of the fabricated dual-loop antenna

图11和图12分别展示了双环天线的轴比以及右旋圆极化增益的测试与仿真结果。可以看出，测试、仿真曲线基本吻合。相比仿真结果，测试得到的轴比曲线略微向高频偏移，右旋圆极化增益略低于仿真数值。其中，测得的轴比带宽为3.94～5.1GHz，最大增益为8.6dBic，3dB增益带宽为3.94～5.42GHz。

图11 双环天线仿真与测试的轴比Fig.11 Simulated and measured ARs of the fabricated dual-loop antenna

图12 双环天线仿真与测试的右旋圆极化增益Fig.12 Simulated and measured RHCP radiation gains of the fabricated dual-loop antenna

图13展示了双环天线在4.5GHz时仿真与测试的归一化方向图。可以看出，yoz面主极化和交叉极化的仿真与测试结果比较吻合，xoz面主极化稍有偏差。该天线的主极化和交叉极化分别为右旋圆极化和左旋圆极化。

圆极化旋向由环的弯曲方向决定。

图13 双环天线在4.5 GHz时仿真与测试的归一化方向图Fig.13 Simulated and measured normalized radiation patterns of the fabricated dual-loop antenna operating at 4.5GHz

本文提出了一种宽带圆极化的氧化锆陶瓷双环天线。基于高介电常数介质波导在其高次模截止区的漏波辐射机理，将线极化的陶瓷倒L天线弯折成环以实现圆极化辐射，并通过把单环扩展成双环，在不影响阻抗匹配的情况下，将天线的轴比带宽拓宽为原本的3倍，实现了更大的频率覆盖。同时，借助先进的3D打印工艺，成功制造了该陶瓷双环天线。最终实测的天线轴比带宽为3.94～5.1GHz，最大增益为8.6dBic。