HFSS天线论 2009天线年会论 1-4

一种新型基于裂环振荡器的多工作频带天线喻志远 莫绍国 张 龙（电子科技大学，物理电子学院，成都，610054）摘 要：本文给出了一种新型具有多个工作频带的裂环振荡器天线。此天线在4.5GHz到8.46GHz频带和10.3.1GHz到13.6GHz频带内展现超宽带天线特性，并可以工作在2GHz, 3.1GHz及3.8GHz 频率点上。论文给出了数值仿真分析和实验研究。实测结果与电磁仿真结果吻合得很好。关键词：微带天线，裂环振荡器，超宽带天线A Novel Antenna with Multiple Working Bands Based on the Split Ring ResonatorYu Zhiyuan Mo Shaoguo Zang Long（School of Physics and Electronics, UESTC, Chengdu, 610054）Abstract: A novel antenna with multiple working bands based on split ring resonator (SRR) is presented in this paper. It shows the characteristics of two UWB (Ultra Wide Band) from 4.5GHz to 8.46GHz and from 10.3.1GHz to 13.6Ghz. It also can work in multiple narrow frequencies which located in 1.8GHz, 3.1GHz, 3.8GHz frequencies. Both simulation study and experiments study are presented and good agreements between the results of numerical simulating and ones of measurements are observed.Keyword: Microstrip antenna, SRR, UWB41 前言1999年Pendry1等指出使用裂环振荡器和直导线可以同时实现负的介电常数和负导磁率。此后裂环振荡器受到人们的重视，人们对它进行了深入的研究，特别是在电小天线和超宽带天线的应用方面。2-5Fabio 等构造了一个基于SRR结构的双负微带小型天线6,可以工作在x波段；O.S. Kim等设计了一个小型自谐振SRR天线，其尺寸为工作波长的1/23.47,文献8证明了基于单个SRR结构的单极子微带天线具有超宽带工作特性。Zhang Yan等2008年给出了具有三个超宽带工作频率的SRR天线9。本文中我们给出了一个新型的SRR天线。它由两个相联的偏心的开环构成一单极子天线。外部的裂环的开口向上，而内部的裂环的开口指向左侧。为了获得向上的辐射特性，我们在外部的裂环的开口上增加了两个直带线。这种结构使得波的方向图有了新的设计自由度，以适应不同的应用要求。 基金项目：本论文得到国家自然科学基金支助。国家自然科学基金批准号：60871058。2 SRR双负电磁参量分析通常双负媒质为一种二维或三维周期结构。双负媒质的电磁特性可以通过研究阵列中的单一周期结构得到。文献10给出了由散射参量给出人工媒质的电磁参量的方法： （1） （2）在单极天线的工作条件下，由于应用普通的FR4作为基片材料，其损耗角正切不为零，所以此时的S21幅值可以表示为/S21/=10 lg(Pin-PR -Ploss)/Pin) （3）这里Pin, Pr, Ploss分别为天线输入功率，天线反射功率和基片的损耗功率。这里忽略了金属带线的损耗。其中天线的损耗，可以由下式计算 （4）积分在整个基片上进行，上式中的为电导率由下式给出： （5）这里电场 E 由FDTD仿真给出，天线的反射系数可以由输入微带电路上的主模式的取样得到11, V1(w,z1)=A(w)e- j(w)z1+B(w)ej(w)z1 （6）V2 (w，z2)=A(w)+B(w) （7）V3 (w,z3)=A(w)e- j(w)z3+B(w)ej(w)z3 （8）这样天线的输入功率和反射功率为 （9） （10）这里A(w)B(w),分别是天线的输入电压波幅度和反射电压波的国度，Zc为微带电路的特性阻抗。3 新型天线研究本文给出的新型天线，构造在普通电路基片FR4上。相对介电常数:r=4.3,损耗角正切为: tg=0.01.天线的结构如图1所示。天线构造在一40X30mm2的FR4基片上，其厚度为1mm。下部是微带馈入结构。下部背面为接地板，天线的输入微带和SRR辐射单元，设计在天线正面。它的各部分尺寸如下：w=1.95, Lw=1mm, Wd=25mm; Sw=1mm; HG=11.56; Hc=24mm; Cs=4mm; R1=12mm; R2=5.05mm; L=40mm; Wo=30mm; Lw=1mm。图1新型SRR天线的结构图2给出了天线的加工实物照片。图2新型SRR天线的实物照片图3是天线的实测与数值仿真数据的对比。由于测试条件的限制,S11只给出了8GHz以下的测试数据。可以看出它们吻合很好。天线仿真数据表明，此天线在4.5GHz到8.46GHz频带和10.3.1GHz到13.6GHz频带内展现超宽带天线特性，并可以在1.8GHz, 3.1GHz及3.8GHz 频率点上窄带工作。图5给出了新天线的三维辐射方向图。图四的仿真数据是由CST软件仿真给出的。可以看出此天线在不同频率下的方向图展现了多样性。图3新型SRR天线的数值仿真数据与实测数据的对比图4新型SRR天线的方向图。其中(a)为工作频率为1.8GHz时的方向图，方向增益为2.9dBi(b)工作频率为3.1GHz, 方向增益为4.5dBi (c) 工作频率为5.8GHz, 方向增益为4.5dBi (d) 工作频率为12GHz, 方向增益为6.2dBi图5给出了此天线在不同频率下(2.0GHz,3.1GH, 5.8GHz,12.0GHz)的二维方向图。图5 新型天线的二维方向图4 结论本文给出了一种新型的基于裂环振荡器（SRR）的单极小型天线。此天线在4.5GHz到8.46GHz频带和10.3.1GHz到13.6GHz频带内展现超宽带天线特性，并可以工作在2GHz, 3.1GHz及3.8GHz 频率点上。论文给出了数值仿真分析和实验研究。实测结果与电磁仿真结果吻合得很好。此天线的研究可用于天线阵列；小型宽带电磁波探测器等方面。参 考 文 献1J. J.B. Pendry, A.S. Holden, D.J. Robbins, and W.J. Stewart, Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena, IEEE Trans MTT 47 (1999), 20752084.2Yan Zhang, Wei Hong, Chen-Qi Kuai, Yu-Dan Don and Jian-Yi ZhouPlannar Ultrawide bands based on Etched slot on the patch and/or Split Ring Resonators on the feed line, IEEE Trans. Antenna and Propagation, VOL. 56, NO. 9, Sep. (2008), pp.3063-30683Yong-jin Kim, Joong-kwan Kim, Jung-han Kim, Ho-yong Kim, and Hong-min Lee, Negative Permeability Metamaterial Structure Based Electrically Small Loop Antenna, 2008 ICACT pp.769-7734Jiechen Ding,1 Zhili Lin,1 Zhinong Ying,2 and Sailing He1,3, A compact ultra-wideband slot antenna with multiple notch frequency bands, Microwave and Optical Technology Letters Vol. 49, No. 12, December (2007), pp.3056-30605Meng Li, Xian Qi Lin, Jessie Yao Chin, Ruopeng Liu, and Tie Jun Cui, A Novel Miniaturized Printed Planar Antenna Using Split-Ring Resonator, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters VOL. 7, 2008, p.629-6316Fabio Urbani and Cesar Garcia, Design of Miniaturized Double-Negative Microstrip Antennas using Electromagnetic Parameter Retrieval, Antenna Technology,2009, iWAT 2009 IEEE Workshop on, 2-4March, 2009 p.1-47O.S. Kim and O. Breinbjerg, Miniaturised self-resonant split-ring resonator antenna, ELECTRONICS LETTERS 12th February 2009, Vol. 45 No. 48X. Yang, Z. Yu, Q. Shi and R. Tao, Design of novel ultra-wideband antenna with individual SRR ELECTRONICS LETTERS 11th September 2008 Vol. 44 No. 199Yan Zhang, Wei Hong, Chen Yu, Zhen-Qi Kuai, Yu-Dan Don, and Jian-Yi Zhou, Planar Ultrawideband Antennas With Multiple Notched Bands Based on Etched Slots on the Patch and/or Split Ring Resonators on the Feed Line, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 56, NO. 9, SEPTEMBER 2008, pp.2063-206810D. R. Smith, D. C. Vier, Th. Koschny, and C. M. Soukoulis, Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials, PhysRevE.71.