基于單個(gè)CSRR結(jié)構(gòu)的超寬帶天線

1 引言

隨著雷達(dá)、航天航空器等的快速發(fā)展以及遙測(cè)、通信技術(shù)的不斷提高，對(duì)天線提出了更多更苛刻的要求。微帶天線由于低剖面、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，在天線領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。而由于微帶天線一般具有頻帶窄等缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到一定的限制。如何展寬帶寬已成為微帶天線設(shè)計(jì)的重要研究方向。

近年來左手材料取得了重大進(jìn)展，由于其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率在特定的頻帶均表現(xiàn)為負(fù)值，具有負(fù)折射率等獨(dú)特電磁特性，對(duì)于改善現(xiàn)有電子系統(tǒng)的性能有著重要的實(shí)際意義。Pendry等首先提出開口環(huán)形諧振器(SRR，Split Ring Resonator)可以作為左手材料中的基本單元，隨后SRR被廣泛應(yīng)用于左手材料的制作。Marques等對(duì)比了寬邊耦合和邊緣耦合的SRR的磁諧振效應(yīng)。由于SRR是一個(gè)具有高品質(zhì)因子的電小尺寸諧振器，它也被用來設(shè)計(jì)天線和屏蔽罩。Kim用SRR型裂縫在寬頻帶天線上設(shè)置了一個(gè)阻帶;Yang等用單個(gè)SRR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了寬頻帶天線;Bulu等把線源放置在由SRR制成的媒質(zhì)中，在SRR的諧振頻率附近，線源的輻射圖具有很高的方向性。另外，F(xiàn)alcone還研究了SRR的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)——逆開口環(huán)形諧振器。

本文提出了一種基于單個(gè)CSRR結(jié)構(gòu)的超寬頻帶天線設(shè)計(jì)，它利用微帶線結(jié)構(gòu)作為饋電和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。我們先仿真了各參量對(duì)天線的回波損耗的影響，并進(jìn)行優(yōu)化，最終制作了樣機(jī)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明該天線的頻帶寬度為1.6至22.6GHz。

2 天線結(jié)構(gòu)和特性

基于有限元法的仿真優(yōu)化結(jié)果，天線的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，它是利用腐蝕覆銅印刷電路板制作而成，基底厚度為2mm，介電常數(shù)為2.55，銅箔厚度為0.018mm。整個(gè)天線為80×90mm2，正面是CSRR結(jié)構(gòu)，它由同心的兩個(gè)圓環(huán)和一個(gè)圓構(gòu)成，并通過金屬線連接，內(nèi)部的開槽為SRR結(jié)構(gòu)，整個(gè)CSRR結(jié)構(gòu)通過微帶結(jié)構(gòu)的阻抗變換器與饋源相連;背面只有部分覆有銅接地板，作為阻抗變換器的反射面，寬為18mm。天線的實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 天線的實(shí)物圖(正面)

當(dāng)電磁波的磁場(chǎng)沿SRR表面的法線方向時(shí)，SRR上會(huì)產(chǎn)生磁諧振響應(yīng)。根據(jù)二重性原理，當(dāng)電磁波的電場(chǎng)沿CSRR表面的法線方向時(shí)，CSRR上會(huì)產(chǎn)生電諧振響應(yīng)，諧振頻率為

(1)

其中L是環(huán)路的總電感，C是內(nèi)外縫隙間的總電容。

當(dāng)饋源的頻率與CSRR結(jié)構(gòu)的諧振頻率相同時(shí)，大部分能量被反射回去，輻射效率很低。為了防止CSRR結(jié)構(gòu)的諧振特性影響天線的寬帶輻射特性，天線的背面沒有反射面。磁場(chǎng)由CSRR表面電流產(chǎn)生，由于天線關(guān)于YZ平面對(duì)稱，所以表面電流也關(guān)于YZ平面對(duì)稱，磁場(chǎng)沿X方向。頻率較低時(shí)，電場(chǎng)位于接地板與CSRR之間，主要沿Y方向，所以主要輻射方向沿Z向;頻率較高時(shí)，遠(yuǎn)離了CSRR結(jié)構(gòu)的諧振頻率，且接地板對(duì)電場(chǎng)的影響較小，電場(chǎng)主要沿Z向，所以主要輻射方向沿Y向。[!--empirenews.page--]

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

天線的回波損耗如圖3所示，其中紅色的實(shí)線表示測(cè)量結(jié)果，藍(lán)色的點(diǎn)狀線表示仿真結(jié)果，二者吻合得很好。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以

圖3 測(cè)量與仿真的回波損耗

看出，雖然在7.0和18.3GHz處回波損耗有兩個(gè)峰值大于-10dB，但基本上可認(rèn)為天線的帶寬為1.6至22.6GHz。

通過仿真，我們還獲得了天線在各個(gè)頻率的增益，如圖4所示。該天線的最小增益為4dB。

圖4 天線的增益

天線在2GHz、10GHz和18GHz的E面方向圖如圖5所示，在2GHz時(shí)，最強(qiáng)輻射方向沿Z向，在18GHz時(shí)，最強(qiáng)輻射方向沿Y向，與理論分析一致。

圖5 E面(YZ面)方向圖

4 結(jié)論

本文采用單個(gè)CSRR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了頻帶寬度為1.6至22.6GHz的超寬帶天線，其增益在任何頻率都大于4dB，根據(jù)仿真結(jié)果制作了樣機(jī)，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。在不同頻率，該天線的主瓣方向也不同，其物理機(jī)理有待進(jìn)一步研究。