基于超材料的雙陷波小型化超寬帶天線設計

楊 闊， 賓梓余，2， 覃覓覓

（1.阿壩師范學院應用物理研究所，四川汶川 623002；2.石河子大學信息科學與技術學院，新疆石河子832003；3.廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006）

0 引 言

天線在現代通信技術中占據非常重要的地位，扮演著重要角色。在實際應用中，天線的性能與研究向著尺寸小、多頻段、超寬帶的趨勢發展，并且希望按頻段使用需求進行天線設計，提高天線性能［1-4］。實現天線的這些要求可采用MIMO技術，傳統的超寬帶技術利用去耦結構等來提高天線隔離度，在輻射貼片和接地平面上應用不同形狀的槽或采用寄生條和應用上述技術組合的混合等方法［5-8］。

但是，為兼顧天線信道容量大和尺寸小的需求，克服天線間的互耦效應，并且使超寬帶天線具有多陷波功能，使用傳統方法已經較難實現［4-5］。超材料的出現為天線領域解決這些重難點提供了新的思路［4］。采用超材料結構的天線不僅可以滿足天線小型化、大信道容量的要求，而且可以根據實際需求對其進行微結構單元設計，提高天線的綜合性能，成本低、易制造，有著廣泛的應用前景和意義［4-5］。文獻［6］中提出的基于超材料結構的天線，超材料結構的對稱排布將天線尺寸減小41%。文獻［7］中提出的基于負磁導率的高增益微帶天線［7］，使天線增益提高而不改變輻射方向及阻抗帶寬［7-9］。

本文設計了一款具有雙陷波特點的超寬帶天線。該天線結構是在一個半圓形單極子上切割同心開口環，由一個開口環切割至3個同心開口環，并依次研究超材料結構對天線性能的影響。

1 超材料結構分析

超材料結構中［4］，SSR開口諧振環結構是應用最廣泛的結構，之后衍生了一系列的開口環結構，如同向開口環［4］、反向開口環［6-10］、三環［4］、結構陣列［11-15］等，拓展了天線設計思路。

SRR結構如圖1所示，SRR結構可看作是在軸向磁場激勵下的磁偶極子，可以等效為LC振蕩電路對其進行分析［1］。

圖1 SRR結構及其等效電路圖［4］

環間總電容C0可由環之間的單位長度電容Cl計算，表示為：

開口諧振環的諧振頻率f0可表示為：

式中，Cs為開口諧振環上、下半平面的總電容。

根據電磁場理論，當電磁波經過開口諧振環時，天線貼片內磁場的變化使開口諧振環產生感應電流，環上電流的流動產生等效電感，從而集聚電荷產生等效電容，即當磁場激勵平行于SRR所在平面入射時，周圍會產生感應電流，感應電流流經同心圓環之間的耦合電路最后閉合，從而產生諧振回路［4］。

如圖2所示，單環結構及SRR結構均被放置在長和寬均為8 mm、厚度為1.6 mm的FR4介質基板上，金屬環厚度為30 μm，其中環間隙寬度與環開口均為0.2 mm，環寬為0.9 mm，外環半徑為3.6 mm。其中開口寬度d，環間隙寬度t以及環寬w對結構的電磁特性均有較大的影響。研究表明，當其他參數不變，開口寬度改變時，超材料結構的諧振頻率隨著寬度的變大而變大，成正比。這是由于開口處產生的效應可以近似看做平板電容，當開口寬度增大，開口處形成的電容就會變小，則總電容減小，諧振頻率變大；當保持其他參數不變，減小環間隙，即增大了內環半徑，超材料結構的諧振頻率隨著環間隙的減小而降低，成正比，這是由于環間隙的減小即增大了等效電容和等效電感；當保持其他參數不變，改變環寬度時，超材料結構的諧振頻率隨著環寬的減小而降低，這是由于金屬環寬的減小會增大等效電容和等效電感，使超材料結構的諧振頻率減?。?］。

圖2 環結構示意圖

2 天線結構設計

天線印刷在一個厚為1.2 mm、尺寸為27 mm×36 mm、介電常數為4.4、損耗正切角為0.02的FR4介質板上，其中半圓形單極子半徑為12 mm，饋線長度為22.24 mm，寬度為2.07 mm，矩形地板尺寸為22.01 mm×27 mm，并在地板上對稱切掉兩個直角邊長為5 mm和6 mm的直角三角形。為了改善阻抗匹配，在饋線末端地板邊緣刻蝕了一個半徑為1.6 mm的半圓形凹槽，并在天線貼片上蝕刻了3個外徑4.2 mm、環寬0.6 mm、環間距0.5 mm、開口為2.07 mm 的同心圓環，如圖3所示。

圖3 天線結構設計

基于一種半圓形超寬帶單極子天線，在天線貼片上蝕刻超材料結構。由小型化超寬帶天線到單環結構天線，到雙環結構天線，再到三環結構天線，以此研究超材料結構對天線性能的影響，研究過程如圖4所示。

3 結果與討論

添加單環結構時，對減小天線尺寸進行研究，如圖5所示。表1給出了尺寸變化時天線性能的對比，由表1可知，加入超材料結構后（天線2），天線尺寸減小了19%，天線性能變化不大，表明超材料結構的加入可以使得天線的尺寸更小，效果更佳。但是諧振點及陷波的位置還需要后續優化。

圖4 天線設計過程

圖5 單環結構天線尺寸變化S11曲線圖

表1 單環結構天線參數對比 GHz

為研究雙開口諧振環結構中圓環開口對天線性能的影響，對同向開口環結構與反向開口環結構進行了仿真分析，并將添加雙環結構與單環結構進行對比，如圖6所示。表2給出了添加單環結構與雙環結構時天線性能的對比。由表2可知，同向開口環所實現的陷波效果較好一些，但總的來說，添加雙開口環結構均比單向開口環的天線性能差。

圖6 天線參數對比S11曲線圖

添加三環結構時，如圖7所示，最終優化天線的參數如下：L＝36 mm，w ＝27 mm，h＝1.2 mm，R1＝12.6 mm，D1＝6 mm，D2＝5 mm，Lg1＝22.01 mm，Lg2＝22.24 mm，wg＝2.07 mm，R2＝1.6 mm，R3＝4.2 mm，t＝0.6 mm，s＝0.5 mm，各符號含義見圖3。由圖7 可知，2～12 GHz時，大部分回波損耗特性均在-12 dB以下，具有很寬的帶寬。有4個諧振點頻率，且在該頻段內VSWR即駐波比均在1～2之間，實現了雙陷波。并且該天線的三維輻射方向圖形狀規則，各個方向均有較好的輻射特性。

表2 天線參數對比 GHz

圖7 三開口環結構天線參數曲線圖

對環的半徑、開口大小及位置等進行研究，經分析，環的半徑、每個環的開口大小及位置對天線的帶寬、陷波的位置及深度均有影響，有輕微頻率波動，如圖8所示。

將添加三環結構與雙環結構、單環結構進行對比，如圖9所示。表3給出了添加三環結構與雙環結構、單環結構時天線性能的對比。結果表明，當有一個開口諧振環結構即單環時，天線產生一個陷波；當有3個開口諧振環時，天線產生了兩個陷波，且開口諧振環的個數對陷波的位置和個數有很大的影響。

圖8 三環結構天線參數對比曲線圖

圖9 天線參數對比S11參數曲線圖

表3 天線參數對比 GHz

4 結 語

本文提出并討論了一種基于超材料的且具有雙頻帶陷波特性的小型化超寬帶天線，天線尺寸27 mm×36 mm，小于大部分同類型天線。該天線工作頻段為2.6 ～12 GHz（相對帶寬129.7%），滿足超寬帶的要求，且產生了兩個陷波，可排除頻段干擾。由于天線尺寸更小、帶寬更寬、輻射特性好，該天線可以作為超寬帶應用的良好候選。