基于单个CSRR结构的超宽带天线
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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。[!--empirenews.page--]
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。