导言
介质谐振器天线（DRA）损耗低、效率高，是毫米波应用的理想选择。由于谐振器尺寸小，对制造误差敏感，因此基模谐振器的设计非常复杂。在本示例中，我们在XFdtd中模拟了一个较大的圆柱形介质谐振器，以展示如何利用高阶模式 HEM113 和 HEM115 的激励来产生宽带宽和良好的增益性能。本天线仿真所参考的设计来自下面引用的会议论文[1]。本文给出的结果与论文中的模拟和测量结果十分吻合。
设备设计与仿真
本设计采用相对介电常数为 7、高度为 8.5 毫米、半径为 1.5 毫米的圆柱形介质作为谐振器。如图 1 所示，圆柱安装在接地层上，由一个同轴探针馈电，探针伸出接地层表面 1.9 毫米，与圆柱侧面接触。
天线的回波损耗如图 2 所示，它显示了约 22 至 29 千兆赫的工作频带（S11 > -10dB）。图 3 所示为 25 GHz 时的稳态电场分布，显示了 HEM113 模式，而图 4 所示为 28 GHz 时介质谐振器中的 HEM115 模式。
图 1：所示为三维 CAD 几何图形，导电地平面位于介电常数为 7 的圆柱形介质谐振器下方。
图 2：DRA 的回波损耗具有 22 至 29 千兆赫的宽带宽。
图 3：25 千兆赫频率下 DRA 内部和周围的稳态电场分布显示了天线的下 HEM113 模式。
图 4：28 千兆赫时，稳态电场分布包含 HEM115 模式。
如图 5 所示，圆筒正上方一点的远场增益从 22 千兆赫的约 5.2 dBi 到 29 千兆赫的峰值 8.8 dBi 不等，中间频率的过渡相当平滑。该天线具有良好的效率，如图 6 所示，辐射效率接近 100%，系统效率（包括失配损耗）在工作带宽内介于 90% 到 99% 之间。
图 5：DRA 正上方的增益（也是峰值增益方向）相当平滑，从 22 GHz 低端的 5.2 dBi 到 29 GHz 高端的 8.8 dBi 不等。
图 6：在整个频率范围内，DRA 的效率都非常高，超过 90%。
25 千兆赫（图 7）和 28 千兆赫（图 8）的三维天线图案显示了宽广的图案，具有最小的波纹，Z 方向圆柱体上方的增益最强，超过 7 dBi。如图 9 所示，在 25 千兆赫的垂直 XZ 方向上，增益主要来自 phi 分量。如图 10 所示，在 25 GHz 的 YZ 方向上，θ 分量占主导地位，任何交叉偏振增益都比共偏振增益低 50 dB。图 11 和图 12 显示，在 28 GHz 频率下，两个切面的图案结果非常相似。所有这些增益模式结果都与 [1] 作者测量的结果非常接近。
图 7：25 千兆赫频率下天线的三维远场增益图案宽阔，波纹极小，3dB 波束宽度约为 68 度。
图 8：在 28 GHz 频率下，三维远场增益模式与 25 GHz 频率下的模式几乎相同，只是峰值增益略高。
图 9：在 25 千兆赫的天线垂直 XZ 平面上，phi 方向增益占主导地位，但交叉极化的 theta 增益仅下降了约 10 dBi。
图 11：在 28 GHz 频率下，XZ 平面上的增益具有很强的 phi 方向图案和交叉偏振的 theta 方向图案，与 25 GHz 频率下的图案相似。
图 10：在 YZ 平面上，θ 增益占主导地位，交叉偏振增益下降超过 50 dB。
图 12：在 YZ 平面的 28 千兆赫处，θ 方向增益占主导地位，交叉偏振增益最小。
结论
介质谐振器天线是毫米波应用的理想选择，但在制造小型元件时存在实际问题。在这里，我们模拟了一个较大的介质谐振器，通过激发高阶模式来降低对尺寸误差的敏感性。该天线在 22-29 GHz 范围内的宽频带内具有良好的性能。
参考资料
[1] L. Y. Feng 和 K. W. Leung："毫米波宽带介质谐振器天线"，2015 年第 40 届 国际红外、毫米波和太赫兹波会议（IRMMW-THz），中国香港，2015 年，第 1-2 页，doi：10.1109/IRMMW-THz.2015.7327734。
