基于新型互补开口谐振环的小型多频微带天线

龙源期刊网 基于新型互补开口谐振环的小型多频微带天线作者：葛少雷 张斌珍 段俊萍 张勇来源：现代电子技术2016年第17期摘 要： 基于提出的一种新型的具有超材料性质的互补开口谐振环，设计了一款小型多频带微带天线。首先设计了一个工作于6 GHz频段的微带天线，然后在此天线的金属接地板上刻蚀新型的互补开口谐振环。利用三维电磁仿真软件HFSS分别对新型的互补开口谐振环和加载互补开口谐振环的天线进行仿真分析，并最终设计了一款小型化的天线。仿真分析结果表明，在相同的谐振频率下，加载了新型互补开口谐振环的小型化天线的尺寸与普通天线相比，尺寸减小了25.85%，并且在6 GHz，7.07 GHz，7.73 GHz三个频率处产生了谐振，实现了天线的小型化和多频化。关键词： 微带天线； 互补开口谐振环； 多频带； 小型化中图分类号： TN8234 文献标识码： A 文章编号： 1004373X（2016）170084050 引 言微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻、加工简便、易与载体表面共形等诸多优点12，被广泛应用于无线移动通信领域。随着相关领域的技术发展，从实用性和实际需求考虑，天线应更加小型化和多频化3。自从前苏联科学家Veselago首次提出超材料4的概念后，超材料便得到人们的广泛研究。互补开口谐振环（Complementary Splitring Resonator，CSRR）5作为超材料的基本单元，近年来成为超材料领域研究的热点之一，并被广泛应用于天线的小型化研究。文献6中通过在辐射金属贴片上刻蚀两个矩形CSRR实现了天线的小型化。文献7基于圆环形CSRR结构设计了一款小型的圆极化天线，实现了天线的小型化。本文在传统互补金属开口谐振环的基础上提出了一种新型的互补开口谐振环（CSRR），并将这种新型结构的CSRR刻蚀在微带天线的金属接地板上。通过HFSS对新型CSRR和加载了新型CSRR的天线进行仿真，仿真结果表明新型CSRR是一种超材料，并且降低了天线的谐振频率，实现了微带天线的小型化和多频化。1 金属开口谐振环金属开口谐振环（Splitring Resonator，SRR）8最早是由英国科学家Pendy等人在研究超材料的过程中提出的，并被证明能够实现负的磁导率，具有超材料的性质。最初的SRR是由一对开口方向相反的同心矩形金属环组成，CSRR是其互补结构，是由一对开口方向相反的介质缝隙组成，即通过在金属介质上刻蚀SRR得到，图1为SRR和CSRR的结构示意图9。本文在以上传统金属谐振环（SRR）的基础上提出一种新型SRR及其互补谐振环（CSRR），其结构示意图如图2所示，新型SRR是由内外两个同心等边三角形组成，在内外两个等边三角形的三个边上分别开口，并且里面三角形环的开口与外三角形环的开口连通。里面三角形环的内部是由中心到三个顶点的边组成。新型SRR的开口长度为gap，内环的边长为S1，外环的边长为S2。通过改变SRR的尺寸可以改变谐振环的谐振频率。4 结 语通过在金属接地板上刻蚀具有超材料性能的新型CSRR实现了微带天线的小型化，此外，天线还出现多个谐振频率，实现了天线的多频化。HFSS仿真分析的结果表明，加载了CSRR的天线的谐振频率随着尺寸的减小而增大。最终设计的未加载小型化天线最小谐振频率为6 GHz，增益为7.6 dB，回波损耗为-21.82 dB。小型化天线与未加载CSRR的传统天线相比，尺寸减小了25.85%，并且其他性能也满足实际应用的要求，为天线的小型化多频化研究提供了一种新思路。参考文献1 钟顺时.天线理论与技术M.北京：电子工业出版社，2011.2 袁子东，高军，曹祥玉，等.一种性能稳定的新型频率选择表面及其微带天线应用J.物理学报，2014（1）：124134.3 汪仲清，曹昶，邬墨家，等.WLAN小型双频微带天线的设计与分析J.电视技术，2012（3）：2628.4 VESELAGO V G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of and J. Soviet physics uspekhi， 1968， 10（4）： 509514.5 FALCONE F， LOPETEGI T， BAENA J D， et al. Effective negative stopband microstrip lines based on complementary split ring resonators J. IEEE microwave and wireless components letters， 2004， 14（6）： 280282.6 DONG Y， TOYAO H， ITOH T. Design and characterization of miniaturized patch antennas loaded with complementary splitring resonators J. IEEE transactions on antennas & propagation， 2011， 60（2）： 772785.7 RAVAL F， KOSTA Y P， JOSHI H. Reduced size patch antenna using complementary split ring resonator as defected ground plane J. AEUinternational journal of electronics and communication， 2015， 69（8）： 11261133.8 PENDY J B， HOLDEN A J， ROBBINS D J， et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena J. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 1999， 47（11）： 20752084.9 孙荣辉，高卫东，刘汉，等.单个互补金属开口谐振环双陷波超宽带天线J.探测与控制学报，2011（5）：1519.10 曹合适，张斌珍，赵龙.基于HFSS的多频微带天线分析与设计J.电子