一種基于CSRR結(jié)構(gòu)的全向微帶縫隙陣列天線設(shè)計*

曹 源，劉宇峰，張 驕，張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

隨著現(xiàn)代移動無線通信、雷達(dá)以及電子系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對用于無線通信的全向天線的性能提出了更高要求. 理想的全向天線應(yīng)在水平面內(nèi)具有良好的全向輻射特性，輻射傾斜角易于調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)高增益且在工作頻帶內(nèi)增益變化小，可由50 Ω同軸線直接饋電，結(jié)構(gòu)緊湊. 目前國內(nèi)外常用的全向天線的設(shè)計結(jié)構(gòu)為同軸共形[1]，其結(jié)構(gòu)簡單，并可通過陣列的形式來提高天線增益，但饋電結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜. 平面偶極子陣列天線[2，3]通過對偶極子天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和饋電控制調(diào)節(jié)環(huán)上電流流動，形成均勻同相環(huán)狀電流，實現(xiàn)水平全向輻射方向圖，但其增益低. 微帶貼片陣列天線[4]和微帶縫隙陣列天線[5]使用微帶陣列天線可以同時滿足天線的小型化和高增益的要求，通過引入縫隙增加了新的諧振，從而實現(xiàn)了天線帶寬的展寬，但其增益變化較大. 因此，現(xiàn)有的研究成果幾乎不能同時滿足理想天線的所有要求.

左手材料由于其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率在特定頻帶內(nèi)表現(xiàn)為負(fù)值的獨特電磁特性，在近年來獲得了極大的發(fā)展. Pendry等[6]于1999年首次提出金屬開口諧振環(huán)(SRR)可以在微波波段獲得負(fù)磁導(dǎo)率，SRR由一對具有不同半徑的同心相對金屬環(huán)構(gòu)成. 而后研究人員將SRR的結(jié)構(gòu)蝕刻在金屬面上得到了其對偶結(jié)構(gòu)CSRR，它可以等效為并聯(lián)LC諧振電路，并被與環(huán)平面垂直的電場激勵產(chǎn)生諧振，且易于與微帶電路集成. 由帶狀線進行饋電的縫隙陣列天線由Barnett等[7]提出，但目前文獻并沒有提出基于帶狀線和CSRR縫隙結(jié)構(gòu)的全向天線.

本文提出的天線基于懸置微帶線結(jié)構(gòu)，通過在兩側(cè)金屬接地板上蝕刻一系列CSRR縫隙單元作為輻射器，相鄰CSRR縫隙開口朝向相反. 天線采用SMA接頭直接從帶狀線一端進行饋電. 通過掃參分析，該天線在工作頻率5.8 GHz處獲得了良好的水平全向輻射性能，工作頻帶內(nèi)實現(xiàn)了高增益以及較小的增益變化，且能夠?qū)椛鋬A斜角進行調(diào)節(jié)，較好地滿足了理想全向天線的要求.

1 天線設(shè)計及工作原理

1.1 CSRR結(jié)構(gòu)設(shè)計

CSRR由一對開口方向相反的介質(zhì)狹縫組成，其單元結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示，圖1(a)中淺灰色表示金屬接地板，深灰色的環(huán)形縫隙表示在金屬接地板上蝕刻的SRR. 根據(jù)對偶原理[8]，CSRR可以等效為一個LC諧振電路，如圖1(b)所示. 其基本頻率為

(1)

式中：fCSRR為CSRR的基本諧振頻率；εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)；r1為外環(huán)諧振器的半徑；r2為內(nèi)環(huán)諧振器的半徑；d為內(nèi)外環(huán)間距.圖 1(b)中，L1和C0為CSRR本身的等效電感和電容，L1=L2.根據(jù)文獻[9，10]，首先得到SRR等效電路中L01、C01、C02的值，然后利用對偶原理得到CSRR等效電路中C0、L1、L2的值.C01和C02為整個環(huán)路的等效電容，C01+C02=2πr0Cpul，Cpul為環(huán)之間的單位長度電容.r0=(r1+r2)/2為環(huán)的平均半徑[11].L01可由下式計算得出

(2)

C0和L1∥L2分別由如下公式計算得出

(3)

(4)

r1=r2+d+c1.

(5)

由上述公式可以看出，CSRR的諧振頻率主要由外環(huán)半徑r1及環(huán)寬c1決定，其余參數(shù)的值可由式(5)計算得出. 通過計算并進行掃參分析，最終得出CSRR各參數(shù)如表1 所示.

圖 1 CSRR單元結(jié)構(gòu)及CSRR等效電路圖

表1 CSRR參數(shù)

(a) r1對|S11|參數(shù)的影響

(b) c1對|S11|參數(shù)的影響

(c) s1對|S11|參數(shù)的影響

如圖 2(a) 所示，在其它參數(shù)不變的情況下，發(fā)現(xiàn)隨著外環(huán)半徑r1的增大，環(huán)縫變長，導(dǎo)致CSRR等效電路中的C0變大，諧振頻率向低頻移動. 當(dāng)r1=8.47 mm時，在5.8 GHz附近的傳輸性能最佳.

如圖 2(b) 所示，在其它參數(shù)不變的情況下，隨著環(huán)寬c1的減小，CSRR等效電路中的L1∥L2變大，諧振頻率很明顯地向低頻移動，天線的帶寬性能逐漸惡化.當(dāng)c1=1.6 mm時，天線的工作帶寬最寬且傳輸性能最佳.

如圖 2(c) 所示，在其它參數(shù)不變的情況下，隨著開口間距s1的增大，環(huán)縫長度相對減小，導(dǎo)致等效電路中的C0減小，諧振頻率向高頻移動，但是對天線的帶寬及傳輸性能幾乎沒有影響.

1.2 懸置微帶線設(shè)計

如圖 3 所示，所提出的天線由寬度為Wc=1.4 mm 的中心導(dǎo)帶和兩個接地面組成. 中心導(dǎo)帶嵌入到相對介電常數(shù)εr=2.65、損耗正切角 tanδ=0.003和厚度h=2 mm的介質(zhì)基板中，基板兩側(cè)為金屬接地平面以構(gòu)成懸置微帶線. 在微帶線的一端AA′通過同軸直接饋電，AA′與第1個 CSRR縫隙之間的距離Lf設(shè)置為20 mm，微帶線的另一端BB′及所有的側(cè)壁均開放. 每個金屬接地平面上都蝕刻有8個等間距的圓形CSRR縫隙. 其他3個結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線的性能影響很大，分別為CSRR縫隙之間的距離Dl，微帶線上邊距與CSRR縫隙之間的距離Dt，微帶線水平邊距與CSRR縫隙之間的距離Dr. 微帶線在 5.8 GHz 下的工作波長約為31.8 mm，可由下式計算得出

(6)

式中：λ0為自由空間波長;c為自由空間中的光速. 經(jīng)過CST仿真優(yōu)化，最終確定Dl=30.9 mm(0.97λ)，Dt=14.4 mm(0.45λ)，Dr=1.6 mm(0.05λ).

圖 3 天線的結(jié)構(gòu)

1.3 工作原理

圖 4 為在工作頻率下天線的瞬時表面電流分布. 從圖中可以看出，電流從同軸饋電端流入，沿著帶狀線流動并逐漸衰減. CSRR縫隙被與環(huán)平面垂直的電場激勵產(chǎn)生諧振，電磁能量從帶狀線逐漸耦合并從CSRR縫隙輻射，這導(dǎo)致了電流的衰減. 通過將縫隙互相之間旋轉(zhuǎn)180°，天線的電流分布更加均勻，從而產(chǎn)生良好的全向性. 對于CSRR 縫隙，電流在內(nèi)環(huán)充當(dāng)傳輸線，其對遠(yuǎn)場輻射的貢獻很小，而在外環(huán)的電流密度大，因此可充當(dāng)輻射器. CSRR縫隙在垂直平面中等距共線排列，使得它們可以很好得相互作用，并在水平平面中產(chǎn)生具有高增益的全向遠(yuǎn)場輻射.

圖 4 5.8 GHz處的表面電流

2 仿真結(jié)果分析

圖 5 為天線仿真的|S11|曲線，從圖中可以看出，在5.8 GHz的工作頻率下，|S11|為-14.8 dB，有較好的匹配，測得的|S11|<-10 dB，帶寬為4.8% (5.69 GHz～5.97 GHz).

圖 5 仿真|S11| 曲線

圖 6 為天線在工作頻率5.8 GHz處的歸一化輻射方向圖，由圖可知，本文所設(shè)計的天線具有非常好的全向輻射性能，天線的最大增益達(dá)到了9.63 dBi. 主瓣完全在水平面內(nèi)，即該天線的輻射傾角可以精確調(diào)整. 天線在E面的波束寬度為10.8°，在H面和E面的旁瓣比主瓣低11.5 dB，天線以線性極化輻射，交叉極化水平低于-18 dB.

天線的性能可能會隨著頻率的變化而變化，本天線采用串聯(lián)饋電結(jié)構(gòu)，偏離諧振頻率太多可能會使CSRR輻射器失去相位同步，從而導(dǎo)致全向性能的惡化. 圖 7～圖 9 分別為天線在不同頻率下的增益、主瓣傾斜角和水平面內(nèi)的最大增益變化的仿真結(jié)果. 在天線的|S11|<-10 dB的阻抗帶寬(5.69 GHz～5.97 GHz)內(nèi)，天線的增益從8.70 dBi變化到9.86 dBi，主瓣的傾斜角在85°～98°的范圍內(nèi)(相應(yīng)的傾斜角范圍為-5°～8°)，水平面內(nèi)的最大增益變化在0.5 dB內(nèi). 仿真結(jié)果表明，所提出的天線在工作頻帶內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的全向輻射性能.

(a) H面

(b) E面

圖 7 不同頻率下天線的增益曲線

圖 8 不同頻率下天線的主瓣傾斜角

圖 9 在水平面內(nèi)天線的最大增益變化

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于CSRR的新型全向平面縫隙陣列天線，它采用簡單的帶狀線結(jié)構(gòu)，通過在金屬地面蝕刻開口朝向相反的CSRR結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了良好的全向輻射特性. 天線通過50 Ω的同軸線直接饋電，通過仿真建模并進行掃參分析，在5.8 GHz的工作頻率下，天線的阻抗帶寬(|S11|<-10 dB)為4.8%(5.69 GHz～5.97 GHz)，最大增益達(dá)到9.63 dBi，且增益變化小于0.5 dB，輻射傾斜角可精確調(diào)整，并能在帶寬范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的全向性能. 因此，該天線能夠很好地適用于無線通信系統(tǒng).