1997年9月西安电子科技大学
第24卷第3期JOURNALOFXIDIANUNIVERSITY
sep.1997
V o1.24N3
介质谐振器天线谐振频率的测量及其应用
Q.1
它在屏蔽的微波电路中广泛用作振荡器和滤波器.另外，若把它置于自由空间中，则因其大部
分功率消耗于辐射场中而使得其最低阶模口值大大减小(约为l0～i00).这就表明：介质谐振
器很适合用作天线，它有下列突出优点:
(1)尺寸小.大约为^./()数量级(^o为自由空间波长，为谐振器材料的介电常数).
因而只需选用高材料，即可大大减小尺寸.
(2)内部不存在导体损耗.与金属天线相比，金属天线损耗大.具有高辐射效率
(3)耦合方式简单.可用于微波，毫米波频段的几乎所有传输线，采用简单的耦合方式，适
于平面集成技术.此外，它与平面型传输线之间的耦合亦易于控制(改变相对位置)，从而可由
实验方法调节其性能到最像
(4)适当选择谐振器参数，可大范围改变这种天线的工作频带.例如：选择合适的介电常
数.就可使这种天线的低阶模带宽从百分之零点几变化到10黼以上.
(5)介质谐振器天线的各种模皆有其独特的内部场和相应的外场分布.因而只需对其激
励起不同的模即可获得不同的辐射场.
早在1939年,Richtmyer就认识到介质谐振器向自由空间的辐射[】].1967年,Gasme
等人
报导了单个球状介质谐振器的辐射口值L2].1975年,Bladel报导了一个严格的渐近公式，用以
计算具有任意形状的高介质谐振器的模；并导出了介质谐振器的内部场和辐射场的一般性
质[3,43.此后，又给出了圆环介质谐振器的低阶轴对称摸的谐振频率，场和辐射口值的数值结
÷收稿日期;l996—】l—l】
第3期沙济彰等：介质谐振器天线谐振频率的测量及其应用433
果口].Birand和Oelsthorpe报导了由矩形介质的谐振器(介质波导激励)组成的小型实验阵
.
然而，关于介质谐振器天线结构的第一个对称理论和实验研究系由Long等人在1983年
报导0.此后，许多学者开展了有益的工作.值得指出的是Mongia等人的工作，他们在一篇综
述陛论文0中总结了前人的工作，汇总了信息.且提出用于介质谐振器设计的新的简单公式,
其中关于谐振频率和口值的公式在相当宽的谐振参数范围内有效.
用作实际天线的最常见形状是圆柱形，尽管亦研究过诸如球，矩形，圆环等其他形状.文中
以圆柱形介质谐振器天线为例，组成一个简单实验系统进行谐振频率和带宽测量，并将测量结
果与文献Ela]中公式进行计算的结果作比较，两者能很好地一致.
1实验测量
1.1测量系统
测量系统如图1所示.它包括用作地平面的—块20
cm×20cm的铝板，文献[12]已证实其尺寸足够大.铝
板上置放一圆柱形介质谐振器.它由钛教锫锡(ZrSnTiO.)制成，参数为：介电常数=37，直径2a一12.7mm.高度=5.08mm.谐振器两侧问距1mm处分别放置发射和接收振子，振子长度均
为4mm.它们经由同轴电缆分别接到矢
量网络分析仪itP8510上，便可在
HP85l0屏幕上观察到辐射特性.
1.2HE准和TMm模测量
两振子皆取垂直方向，测量结果如
图2所示.图中第1个谐振峰对应于
HE-模，第2个谐振蜂对应于TM模.
这两个谐振峰的扩展和峰点附近数据见
附录1,2，其中峰点和一3dB点数据参
阅表1.
围1测量泉统
表l测量数据
疆2HEⅢ和TM0l6删量
434西安电于科技大学第24卷
由表1可见,HEm模的谐振频率为
3.795GHz，带宽为90MHz，辐射0值
为42.17}而TMo.模的谐振叔率为
5.275GHz，带宽为90MHz，辐射Q值
为58.61.
1.3TE.瘌测量
两振子皆取水平方向.测量结果如
图3所示.其蟑点的扩展及数据见附录
3，其中峰值和一3dB点数据亦已列入表
l中.
由表1可见,TE模的谐振频率为
4.974GHz，带宽为11MHz，辐射口值为452.18.
2理论计算及其与实验结果的比较
围3T."的测量
2.1理论计算
根据文献[儿]提供的公式来计算谐振频率,o和辐射口值口.给定数据为:2a 12.7mm.H一5.08mlTl,=37,.=3×10'm/s?
2.1.1HE11d模
因为=；高[0_27+o-3e()+o-oz()]=
所以
0.50917,
,0.509l7×=3.8285GHz?
口一0.0l007()"×号{l+100exp
41.1455.
(1)
卜z.os[o.s(号)_o.s㈤]])一
2.1.2TMo模
因为:
_[:....,(2)
所以J'D=5.18208GHz?
文献[儿]中未列入TMm模的口公式，故这里未作计算.
2.1.3TE0】M模
因为.a==器[1..+o.os(号)——..o.z.(号)]=.一e.ee,c.
所以,0=5.04277GHz.
28.×[_¨s(鲁)sss("z
421.669.
(=
幂3期沙济彰等；介质谐振器天线谐振频丰的测量及其应用435
2.2理论计算与实验结果的比较
理论计算与实验结果的比较如表2所示.
表2理论计算与实验结果比较
由表2可见,,.的误差范围小于2%,0误差范围则在百分之几左右.两者呈现了很好的一致性.
3测量系统应用于对测量
实际工作中，常需对样品进行参数测量，其中介电常数的测量更为常见.前面已经验证
了实验测量与理论计算结果的—致性，从而为以该实验系统来进行测量提供了良好的手段.
测试方法如下.
3.1根据测量HE.m模来求
前已测得:,o=3.795GHz，再代入式(1)即可解得渴=37.692.
3.2根据测量TM.¨模来求
前已测得:,o=5.275GHz，再代入式(2)即可解得=35.638.'
3.3根据测量TE*濮来求
前已测得:,o=d.974GHz，再代入式(3)解得渴=38.058.
与=37的实际值相比，误差分别为:+1.87，一3.68,+2.86%，可以满足实用要
求.若对上述敫据再作算术平均，则误差更小.仅为+L05.当然，实际工作中还可进行多次
反复测量，但仅上捌即可说明其有效性.
4结束语
文中介绍了介质谐振器天线以及一种简单的测量系统，井把它用于一种圆柱形介质谐振
器的谐振频率和带宽的测量，测量结果与理论计算结果能很好地一致.在此基础上导出了利用
该系统进行样品测量的实用方法，误差仅在百分之几范围内.
436西簧电子科技大学第24卷
>介电常数测量
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