基于單個CSRR結構的超寬帶天線

1 引言

隨著雷達、航天航空器等的快速發(fā)展以及遙測、通信技術的不斷提高，對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、質量輕等特點，在天線領域占據(jù)了重要的地位。而由于微帶天線一般具有頻帶窄等缺點，其應用受到一定的限制。如何展寬帶寬已成為微帶天線設計的重要研究方向。

近年來左手材料取得了重大進展，由于其介電常數(shù)和磁導率在特定的頻帶均表現(xiàn)為負值，具有負折射率等獨特電磁特性，對于改善現(xiàn)有電子系統(tǒng)的性能有著重要的實際意義。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被廣泛應用于左手材料的制作。Marques等對比了寬邊耦合和邊緣耦合的SRR的磁諧振效應。由于SRR是一個具有高品質因子的電小尺寸諧振器，它也被用來設計天線和屏蔽罩。Kim用SRR型裂縫在寬頻帶天線上設置了一個阻帶;Yang等用單個SRR結構設計了寬頻帶天線;Bulu等把線源放置在由SRR制成的媒質中，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的互補結構——逆開口環(huán)形諧振器。

本文提出了一種基于單個CSRR結構的超寬頻帶天線設計，它利用微帶線結構作為饋電和阻抗匹配網絡。我們先仿真了各參量對天線的回波損耗的影響，并進行優(yōu)化，最終制作了樣機。實測結果表明該天線的頻帶寬度為1.6至22.6GHz。

2 天線結構和特性

基于有限元法的仿真優(yōu)化結果，天線的結構尺寸如圖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。整個天線為80×90mm2，正面是CSRR結構，它由同心的兩個圓環(huán)和一個圓構成，并通過金屬線連接，內部的開槽為SRR結構，整個CSRR結構通過微帶結構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。天線的實物圖如圖2所示。

圖1 天線結構示意圖

圖2 天線的實物圖(正面)

當電磁波的磁場沿SRR表面的法線方向時，SRR上會產生磁諧振響應。根據(jù)二重性原理，當電磁波的電場沿CSRR表面的法線方向時，CSRR上會產生電諧振響應，諧振頻率為

(1)

其中L是環(huán)路的總電感，C是內外縫隙間的總電容。

當饋源的頻率與CSRR結構的諧振頻率相同時，大部分能量被反射回去，輻射效率很低。為了防止CSRR結構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。磁場由CSRR表面電流產生，由于天線關于YZ平面對稱，所以表面電流也關于YZ平面對稱，磁場沿X方向。頻率較低時，電場位于接地板與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，遠離了CSRR結構的諧振頻率，且接地板對電場的影響較小，電場主要沿Z向，所以主要輻射方向沿Y向。[!--empirenews.page--]

3 實驗結果

天線的回波損耗如圖3所示，其中紅色的實線表示測量結果，藍色的點狀線表示仿真結果，二者吻合得很好。從實測結果可以

圖3 測量與仿真的回波損耗

看出，雖然在7.0和18.3GHz處回波損耗有兩個峰值大于-10dB，但基本上可認為天線的帶寬為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，最強輻射方向沿Z向，在18GHz時，最強輻射方向沿Y向，與理論分析一致。

圖5 E面(YZ面)方向圖

4 結論

本文采用單個CSRR結構設計了頻帶寬度為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)仿真結果制作了樣機，實測結果與仿真結果相吻合。在不同頻率，該天線的主瓣方向也不同，其物理機理有待進一步研究。