基于单个CSRR结构的超宽带天线

admin

        1  引言

        随着雷达、航天航空器等的快速发展以及遥测、通信技术的不断提高，对天线提出了更多更苛刻的要求。微带天线由于低剖面、体积小、质量轻等特点，在天线领域占据了重要的地位。而由于微带天线一般具有频带窄等缺点，其应用受到一定的限制。如何展宽带宽已成为微带天线设计的重要研究方向。
         
        近年来左手材料取得了重大进展，由于其介电常数和磁导率在特定的频带均表现为负值，具有负折射率等独特电磁特性，对于改善现有电子系统的性能有着重要的实际意义。Pendry等首先提出开口环形谐振器（SRR，Split Ring Resonator）可以作为左手材料中的基本单元，随后SRR被广泛应用于左手材料的制作。Marques等对比了宽边耦合和边缘耦合的SRR的磁谐振效应。由于SRR是一个具有高品质因子的电小尺寸谐振器，它也被用来设计天线和屏蔽罩。Kim用SRR型裂缝在宽频带天线上设置了一个阻带；Yang等用单个SRR结构设计了宽频带天线；Bulu等把线源放置在由SRR制成的媒质中，在SRR的谐振频率附近，线源的辐射图具有很高的方向性。另外，Falcone还研究了SRR的互补结构——逆开口环形谐振器。
         
        本文提出了一种基于单个CSRR结构的超宽频带天线设计，它利用微带线结构作为馈电和阻抗匹配网络。我们先仿真了各参量对天线的回波损耗的影响，并进行优化，最终制作了样机。实测结果表明该天线的频带宽度为1.6至22.6GHz。
         
        2  天线结构和特性

        基于有限元法的仿真优化结果，天线的结构尺寸如图1所示，它是利用腐蚀覆铜印刷电路板制作而成，基底厚度为2mm，介电常数为2.55，铜箔厚度为0.018mm。整个天线为80×90mm2，正面是CSRR结构，它由同心的两个圆环和一个圆构成，并通过金属线连接，内部的开槽为SRR结构，整个CSRR结构通过微带结构的阻抗变换器与馈源相连；背面只有部分覆有铜接地板，作为阻抗变换器的反射面，宽为18mm。天线的实物图如图2所示。
         

       

        图1  天线结构示意图

       

        图2  天线的实物图（正面）

         
        当电磁波的磁场沿SRR表面的法线方向时，SRR上会产生磁谐振响应。根据二重性原理，当电磁波的电场沿CSRR表面的法线方向时，CSRR上会产生电谐振响应，谐振频率为
               （1）
        其中L是环路的总电感，C是内外缝隙间的总电容。
         
        当馈源的频率与CSRR结构的谐振频率相同时，大部分能量被反射回去，辐射效率很低。为了防止CSRR结构的谐振特性影响天线的宽带辐射特性，天线的背面没有反射面。磁场由CSRR表面电流产生，由于天线关于YZ平面对称，所以表面电流也关于YZ平面对称，磁场沿X方向。频率较低时，电场位于接地板与CSRR之间，主要沿Y方向，所以主要辐射方向沿Z向；频率较高时，远离了CSRR结构的谐振频率，且接地板对电场的影响较小，电场主要沿Z向，所以主要辐射方向沿Y向。
         
        3  实验结果

        天线的回波损耗如图3所示，其中红色的实线表示测量结果，蓝色的点状线表示仿真结果，二者吻合得很好。从实测结果可以

       

        图3  测量与仿真的回波损耗

         
        看出，虽然在7.0和18.3GHz处回波损耗有两个峰值大于-10dB，但基本上可认为天线的带宽为1.6至22.6GHz。
        通过仿真，我们还获得了天线在各个频率的增益，如图4所示。该天线的最小增益为4dB。
         

       

        图4  天线的增益

         

        天线在2GHz、10GHz和18GHz的E面方向图如图5所示，在2GHz时，最强辐射方向沿Z向，在18GHz时，最强辐射方向沿Y向，与理论分析一致。
         

       

        图5  E面（YZ面）方向图

         
        4 结论

        本文采用单个CSRR结构设计了频带宽度为1.6至22.6GHz的超宽带天线，其增益在任何频率都大于4dB，根据仿真结果制作了样机，实测结果与仿真结果相吻合。在不同频率，该天线的主瓣方向也不同，其物理机理有待进一步研究。