导言
介质谐振器天线具有许多有用的特性，包括低损耗、高效率和体积小。本示例演示了 XFdtd 的天线仿真和设计功能如何分析两个类似的圆柱形介质谐振器天线 (DRA)，这两个天线是为不同频段的双极化性能而开发的。第一个天线是双频天线，覆盖 DCS（1.71-1.88 GHz）和 WLAN（2.4-2.48 GHz）频段。第二种设计是宽带天线，覆盖 WLAN 和部分 WiMAX 频段（高达 2.69 GHz）。两种设计均来自本文引用的论文[1]，所呈现的结果与论文中提供的测量结果非常吻合。
设备设计与仿真
设备的总体设计包括一个圆柱形介质谐振器（相对介电常数 = 6.85，高度 = 50.5 毫米，半径 = 22 毫米），安装在 1.57 毫米厚基板（相对介电常数 = 2.33）上的铜接地平面上方。天线有两个端口，分别位于接地平面的相邻两侧；其中一个端口向连接到圆柱体侧面小条的同轴探针馈电，另一个端口则通过介质谐振器下方接地平面上的插槽耦合。整体设计如图 1 所示，两个端口分别位于基板的 YZ 和 XZ 边缘，呈亮绿色。两种设计都在基板底部使用微带线连接端口。双频设计在地平面上有两个垂直的槽（图 2 中可见），将端口 2 连接到 DRA，而同轴探针则连接端口 1。宽带设计（图 3）与之类似，但馈入端口 2 的微带线增加了阻抗变压器和不同尺寸的曲线槽，以便将能量耦合到 DRA。
图 1：天线几何形状的三维 CAD 视图显示了带有同轴探针馈电的 DRA 圆柱，基底左右两侧的两个输入端口以浅绿色显示。第二个端口通过地平面上的耦合槽馈电。
图 2：双频天线的俯视图显示了来自第一和第二端口的底层微带馈电，以及地平面上用于将第二端口耦合到 DRA 的两个插槽。
图 3：端口 1 的宽带天线与同轴探头完全相同，但端口 2 的馈电有几处改动，包括微带线上的阻抗变压器和两个用于耦合的弧形槽。
双频天线
图 4 所示双频天线的 S 参数在两个相关频段（DCS 和 WLAN）周围的回波损耗有浅空。交叉耦合 S21 图显示隔离度大于 35 dB。在图 5 中，圆筒正上方的增益与频率的关系图显示，每个端口的低频段增益约为 7 dBi，高频段增益约为 8.5 dBi。在图 6 中，两个端口的辐射效率和系统效率（包括错配损耗）随频率变化的曲线图显示，两个端口的效率都在 90% 左右或更高。描述辐射模式相互独立性的包络相关性显示值小于 5x10-5，表明隔离效果极佳（图 7）。
图 4：双频天线的 S 参数图显示了在 1.71-1.88 千兆赫和 2.4-2.48 千兆赫范围内的工作区域。 端口之间的隔离度优于 35 dB。
图 5：两个端口的 DRA 上部增益在较低工作频段接近 7 dBi，在较高频段接近 8.5 dBi。
图 6：由于回波损耗略低于 -10 dB，双频天线在两个频段都具有良好的效率，系统效率约为 90%。
图 7：包络相关性显示两个端口之间的隔离度很高。
图 8 显示了双频天线在 1.8 GHz 频率下的三维辐射模式，显示出在地平面上方相当均匀的覆盖范围。在辐射图的 XZ 垂直面上，端口 1 在 1.8 GHz 的θ指向增益明显高于π指向增益（图 9），而端口 2 则以π指向增益为主（图 10）。同样，在垂直 YZ 平面上，端口 1 的 phi 增益占主导地位（图 11），而端口 2 在 1.8 GHz 时则表现为 theta 增益（图 12）。当研究 2.45 GHz 的 WLAN 频段时，XZ 平面上的图 13 和图 14 也显示了类似的情况。在图 15 中，端口 1 的极化间距减小，但端口 2 的极化间距仍然很大（图 16）。
图 8：双频天线在 1.8 GHz 频率下的三维增益模式显示，地平面上方有一个宽叶，峰值增益约为 7 dBi。
图 9：1.8 GHz 垂直 XZ 平面上端口 1 的增益显示，θ 分量产生了很强的共偏振增益，交叉偏振增益下降了 40 多 dB。
图 10：频率为 1.8 GHz 的端口 2 显示了来自 XZ 平面 phi 分量的强大共极化增益，显示了天线的双极化特性。
图 11：在 YZ 平面上，端口 1 的 Theta 方向增益减小，而 phi- 方向增益在 1.8 GHz 时占主导地位。
图 12：1.8 GHz 频率下 YZ 平面上的端口 2 与端口 1 相反，具有很强的θ指向增益和很低的π指向增益。
图 13：在 2.45 GHz 的 XZ 平面上，端口 1 具有较强的θ指向增益和较低的π指向增益。
图 14：在 2.45 GHz 的 XZ 平面上，端口 2 具有较强的 phi 方向增益和较低的 theta 方向增益，与端口 1 相反。
图 15：在端口 1 的 YZ 平面上，频率为 2.45 GHz，同极化增益和跨极化增益没有很好地分离，但 phi-directed 增益占主导地位。
图 16：对于 YZ 平面上 2.45 GHz 频率的端口 2，θ 方向增益占主导地位。
宽带天线
如图 17 所示，宽带天线的 S 参数显示，在整个相关范围内，每个端口的回波损耗都低于 -10 dB，而 S21 的隔离度则低于 -45 dB。DRA 上部的增益与频率关系图显示，增益范围从 2.5 GHz 时的 5.2 dBi 到 2.7 GHz 时的 8.5 dBi（图 18）。图 19 中绘制的效率显示，在整个相关范围内，两个端口的效率值都非常高，部分原因是该设计中两个端口的输入匹配度更高。图 20 所示的包络相关性数值极低，表明极化之间的隔离效果极佳。宽带设计的三维增益模式如图 21 所示，频率为 2.4 GHz，在地平面上方具有广泛的覆盖范围。
图 17：宽带天线的两个输入端口在大约 2.25 至 2.8 千兆赫的回波损耗低于-10 分贝，覆盖了超过整个相关频段。 端口之间的隔离度大于 45 dB。
图 18：DRA 的增益与频率的关系显示，天线各频段的增益范围在 5.2 到 10 dBi 之间。
图 19：宽带天线非常高效，在相关频段内的辐射效率和系统效率接近 100%。
图 20：包络相关性极低，表明两个天线端口的增益模式之间的隔离效果非常好。
图 21：宽带天线在 2.4 GHz 频率下的三维增益模式是一个宽叶，与双频天线类似。
结论
介质谐振器天线具有低损耗和高效率等几个重要特性，这使其成为通信和无线局域网等应用的良好选择。在这个例子中，双极化天线的双频和宽频设计表明，端口和辐射模式之间具有良好的隔离性，因而性能卓越。
参考资料
[1] Y. X. Sun 和 K. W. Leung，"双带和宽带双极化圆柱介质谐振器天线"，载于《IEEE 天线与无线传播通讯》，第 12 卷，第 384-387 页，2013 年，doi：10.1109/LAWP.2013.2251993。
