基于新型互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)的小型多頻微帶天線

摘 要： 基于提出的一種新型的具有超材料性質(zhì)的互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)，設(shè)計(jì)了一款小型多頻帶微帶天線。首先設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于6 GHz頻段的微帶天線，然后在此天線的金屬接地板上刻蝕新型的互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)。利用三維電磁仿真軟件HFSS分別對(duì)新型的互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)和加載互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)的天線進(jìn)行仿真分析，并最終設(shè)計(jì)了一款小型化的天線。仿真分析結(jié)果表明，在相同的諧振頻率下，加載了新型互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)的小型化天線的尺寸與普通天線相比，尺寸減小了25.85%，并且在6 GHz，7.07 GHz，7.73 GHz三個(gè)頻率處產(chǎn)生了諧振，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化和多頻化。

關(guān)鍵詞： 微帶天線； 互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)； 多頻帶； 小型化

中圖分類(lèi)號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）17?0084?05

0 引 言

微帶天線具有剖面薄、體積小、重量輕、加工簡(jiǎn)便、易與載體表面共形等諸多優(yōu)點(diǎn)[1?2]，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域。隨著相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，從實(shí)用性和實(shí)際需求考慮，天線應(yīng)更加小型化和多頻化[3]。

自從前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago首次提出超材料[4]的概念后，超材料便得到人們的廣泛研究。互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)（Complementary Split?ring Resonator，CSRR）[5]作為超材料的基本單元，近年來(lái)成為超材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，并被廣泛應(yīng)用于天線的小型化研究。文獻(xiàn)[6]中通過(guò)在輻射金屬貼片上刻蝕兩個(gè)矩形CSRR實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。文獻(xiàn)[7]基于圓環(huán)形CSRR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款小型的圓極化天線，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。

本文在傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬開(kāi)口諧振環(huán)的基礎(chǔ)上提出了一種新型的互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)（CSRR），并將這種新型結(jié)構(gòu)的CSRR刻蝕在微帶天線的金屬接地板上。通過(guò)HFSS對(duì)新型CSRR和加載了新型CSRR的天線進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明新型CSRR是一種超材料，并且降低了天線的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)了微帶天線的小型化和多頻化。

1 金屬開(kāi)口諧振環(huán)

金屬開(kāi)口諧振環(huán)（Split?ring Resonator，SRR）[8]最早是由英國(guó)科學(xué)家Pendy等人在研究超材料的過(guò)程中提出的，并被證明能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率，具有超材料的性質(zhì)。最初的SRR是由一對(duì)開(kāi)口方向相反的同心矩形金屬環(huán)組成，CSRR是其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，是由一對(duì)開(kāi)口方向相反的介質(zhì)縫隙組成，即通過(guò)在金屬介質(zhì)上刻蝕SRR得到，圖1為SRR和CSRR的結(jié)構(gòu)示意圖[9]。

本文在以上傳統(tǒng)金屬諧振環(huán)（SRR）的基礎(chǔ)上提出一種新型SRR及其互補(bǔ)諧振環(huán)（CSRR），其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，新型SRR是由內(nèi)外兩個(gè)同心等邊三角形組成，在內(nèi)外兩個(gè)等邊三角形的三個(gè)邊上分別開(kāi)口，并且里面三角形環(huán)的開(kāi)口與外三角形環(huán)的開(kāi)口連通。里面三角形環(huán)的內(nèi)部是由中心到三個(gè)頂點(diǎn)的邊組成。新型SRR的開(kāi)口長(zhǎng)度為gap，內(nèi)環(huán)的邊長(zhǎng)為[S1，]外環(huán)的邊長(zhǎng)為[S2。]通過(guò)改變SRR的尺寸可以改變諧振環(huán)的諧振頻率。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在金屬接地板上刻蝕具有超材料性能的新型CSRR實(shí)現(xiàn)了微帶天線的小型化，此外，天線還出現(xiàn)多個(gè)諧振頻率，實(shí)現(xiàn)了天線的多頻化。HFSS仿真分析的結(jié)果表明，加載了CSRR的天線的諧振頻率隨著尺寸的減小而增大。最終設(shè)計(jì)的未加載小型化天線最小諧振頻率為6 GHz，增益為7.6 dB，回波損耗為-21.82 dB。小型化天線與未加載CSRR的傳統(tǒng)天線相比，尺寸減小了25.85%，并且其他性能也滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求，為天線的小型化多頻化研究提供了一種新思路。

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