基于單個(gè)CSRR結構的超寬帶天線(xiàn)

1引言

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

近年來(lái)左手材料取得了重大進(jìn)展，由于其介電常數和磁導率在特定的頻帶均表現為負值，具有負折射率等獨特電磁特性，對于改善現有電子系統的性能有著(zhù)重要的實(shí)際意義。Pendry等首先提出開(kāi)口環(huán)形諧振器（SRR，SplitRingResonator）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(gè)具有高品質(zhì)因子的電小尺寸諧振器，它也被用來(lái)設計天線(xiàn)和屏蔽罩。Kim用SRR型裂縫在寬頻帶天線(xiàn)上設置了一個(gè)阻帶；Yang等用單個(gè)SRR結構設計了寬頻帶天線(xiàn)；Bulu等把線(xiàn)源放置在由SRR制成的媒質(zhì)中，在SRR的諧振頻率附近，線(xiàn)源的輻射圖具有很高的方向性。另外，Falcone還研究了SRR的互補結構——逆開(kāi)口環(huán)形諧振器。

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

2天線(xiàn)結構和特性

基于有限元法的仿真優(yōu)化結果，天線(xiàn)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，介電常數為2.55，銅箔厚度為0.018mm。整個(gè)天線(xiàn)為80×90mm2，正面是CSRR結構，它由同心的兩個(gè)圓環(huán)和一個(gè)圓構成，并通過(guò)金屬線(xiàn)連接，內部的開(kāi)槽為SRR結構，整個(gè)CSRR結構通過(guò)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(xiàn)的實(shí)物圖如圖2所示。

圖1天線(xiàn)結構示意圖

圖2天線(xiàn)的實(shí)物圖（正面）

當電磁波的磁場(chǎng)沿SRR表面的法線(xiàn)方向時(shí)，SRR上會(huì )產(chǎn)生磁諧振響應。根據二重性原理，當電磁波的電場(chǎng)沿CSRR表面的法線(xiàn)方向時(shí)，CSRR上會(huì )產(chǎn)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(shí)，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(xiàn)的寬帶輻射特性，天線(xiàn)的背面沒(méi)有反射面。磁場(chǎng)由CSRR表面電流產(chǎn)生，由于天線(xiàn)關(guān)于YZ平面對稱(chēng)，所以表面電流也關(guān)于YZ平面對稱(chēng)，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)，遠離了CSRR結構的諧振頻率，且接地板對電場(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。