HFSS水贴片天线

水贴片天线本质为致密介质天线，DRA介质谐振天线

谐振器的概念：

理想导体壁电阻率为零在电磁理论中称为电壁。在电壁上,电场的切向分量为零,磁场的法向分量为零,电磁波入射到电壁上将被完全反射回来,没有投射波穿过电壁。

因此,用电壁围成一个封闭的腔,一旦有适当频率的电磁波馈入,波将在腔的电壁上来回反射,形成电磁驻波,发生电磁谐振。此时即使外部停止向腔内馈入能量,已经建立起来的电磁振荡将无衰减地维持下去。可见电壁空腔是一种谐振器,电磁能量按一定的频率在其中振荡。如果导体壁不是理想的,由于存在损耗,建立起来的振荡不会长期维持下去,随时间逐渐衰减,最终消失,成为阻尼振荡。谐振器中电磁振荡维持时间的长短时间常数是其值高低的一种度量。

那么，电磁波在高介电常数介质与空气界面上的反射折射情况：

如图，左侧介质，右侧空气

有一束光从左侧入射（左下），一部分反射（左上），一部分透射（右上）

由于折射定律，入射角与折射角有如下关系：（空气相对介电常数为1）

由于介质介电常数大于1，所以折射角总大于入射角。当入射角增大到一定程度时，到达临界角，此时发生全反射。

介质表面的波成为表面波，与入射波完全无关。入射波完全被反射回来-----具有了电壁一样的性质。由于电磁波在导体壁上电场切向分量为0，电磁波在导体壁上电场切向分量为零,故入射波与反射波的电场切向分量相消,仅有法向分量,因而合成场的电力线垂直导体表面,亦即垂直电壁而在高介电常数的介质界面上,磁场切向分量近似为零,入射波与反射波的磁场切向分量近似相消,合成场的磁力线近似垂直介质界面。只有相对介电常数趋于∞时,才是真正的磁壁。在磁壁上,磁场切向分量为零,电场法向分量为零,它与电壁对偶。既然电壁构成的空腔可作为微波谐振器,显然,磁壁所围的介质块亦可作为微波谐振器。所以高介电常数的介质近似是一个磁壁谐振器,电磁能量在介质块内振荡,不会穿过磁壁泄漏到空气里。

若将介质棒变成一个环,令其首尾接在一起,并使连接处电磁波有相同相位,该电磁波就能在环内循环传输,成为一个行波环。如果介质损耗非常小,循环时间很一长,于是电磁波被禁锢在介质环内,成为一个环形介质谐振器。介质环的最小平均周长应是被导波的一个波导波长。

^{矩形DRA谐振频率估计：}

矩形有三个尺寸参数,可以通过适当选择三个参数,来避免简并模的存在。而球形和圆柱的简并模总是存在的。简并模的存在会加强交叉极化水平,限制天线性能。

对一既定谐振频率,矩形的纵横比高度长度、宽度长度可以独立选择。

由于水与空气的介电常数差异较大，垂直圆盘加载探头激发的电场主要局限在水片与水层之间。能量从水斑的中心向边缘传播，然后通过周围的圆形开槽辐射到自由空间。相反，水内部存在非常弱的电场，因此这种水贴片天线不工作在介质谐振模式。

水贴片和水地平面的厚度越大，水区(SWR的第一个最小值点)的谐振频率就越低。

这是因为在水层内部有少量的电磁波，会参与到中间基质(空气)的电场构建中，当水区的长度从35 mm增加到45 mm时，水区的谐振频率从1.75 GHz移到1.65 GHz

参考文献：

H. W. Lai, K.-M. Luk, and K. W. Leung, “Dense dielectric patch
antenna—A new kind of low-profile antenna element for wireless
communications,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 61, no. 8,
pp. 4239–4245, Aug. 2013.