基于超材料的双陷波小型化超宽带天线设计

杨 阔， 宾梓余，2， 覃觅觅

（1.阿坝师范学院应用物理研究所，四川汶川 623002；2.石河子大学信息科学与技术学院，新疆石河子832003；3.广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州545006）

0 引 言

天线在现代通信技术中占据非常重要的地位，扮演着重要角色。在实际应用中，天线的性能与研究向着尺寸小、多频段、超宽带的趋势发展，并且希望按频段使用需求进行天线设计，提高天线性能［1-4］。实现天线的这些要求可采用MIMO技术，传统的超宽带技术利用去耦结构等来提高天线隔离度，在辐射贴片和接地平面上应用不同形状的槽或采用寄生条和应用上述技术组合的混合等方法［5-8］。

但是，为兼顾天线信道容量大和尺寸小的需求，克服天线间的互耦效应，并且使超宽带天线具有多陷波功能，使用传统方法已经较难实现［4-5］。超材料的出现为天线领域解决这些重难点提供了新的思路［4］。采用超材料结构的天线不仅可以满足天线小型化、大信道容量的要求，而且可以根据实际需求对其进行微结构单元设计，提高天线的综合性能，成本低、易制造，有着广泛的应用前景和意义［4-5］。文献［6］中提出的基于超材料结构的天线，超材料结构的对称排布将天线尺寸减小41%。文献［7］中提出的基于负磁导率的高增益微带天线［7］，使天线增益提高而不改变辐射方向及阻抗带宽［7-9］。

本文设计了一款具有双陷波特点的超宽带天线。该天线结构是在一个半圆形单极子上切割同心开口环，由一个开口环切割至3个同心开口环，并依次研究超材料结构对天线性能的影响。

1 超材料结构分析

超材料结构中［4］，SSR开口谐振环结构是应用最广泛的结构，之后衍生了一系列的开口环结构，如同向开口环［4］、反向开口环［6-10］、三环［4］、结构阵列［11-15］等，拓展了天线设计思路。

SRR结构如图1所示，SRR结构可看作是在轴向磁场激励下的磁偶极子，可以等效为LC振荡电路对其进行分析［1］。

图1 SRR结构及其等效电路图［4］

环间总电容C0可由环之间的单位长度电容Cl计算，表示为：

开口谐振环的谐振频率f0可表示为：

式中，Cs为开口谐振环上、下半平面的总电容。

根据电磁场理论，当电磁波经过开口谐振环时，天线贴片内磁场的变化使开口谐振环产生感应电流，环上电流的流动产生等效电感，从而集聚电荷产生等效电容，即当磁场激励平行于SRR所在平面入射时，周围会产生感应电流，感应电流流经同心圆环之间的耦合电路最后闭合，从而产生谐振回路［4］。

如图2所示，单环结构及SRR结构均被放置在长和宽均为8 mm、厚度为1.6 mm的FR4介质基板上，金属环厚度为30 μm，其中环间隙宽度与环开口均为0.2 mm，环宽为0.9 mm，外环半径为3.6 mm。其中开口宽度d，环间隙宽度t以及环宽w对结构的电磁特性均有较大的影响。研究表明，当其他参数不变，开口宽度改变时，超材料结构的谐振频率随着宽度的变大而变大，成正比。这是由于开口处产生的效应可以近似看做平板电容，当开口宽度增大，开口处形成的电容就会变小，则总电容减小，谐振频率变大；当保持其他参数不变，减小环间隙，即增大了内环半径，超材料结构的谐振频率随着环间隙的减小而降低，成正比，这是由于环间隙的减小即增大了等效电容和等效电感；当保持其他参数不变，改变环宽度时，超材料结构的谐振频率随着环宽的减小而降低，这是由于金属环宽的减小会增大等效电容和等效电感，使超材料结构的谐振频率减小［4］。

图2 环结构示意图

2 天线结构设计

天线印刷在一个厚为1.2 mm、尺寸为27 mm×36 mm、介电常数为4.4、损耗正切角为0.02的FR4介质板上，其中半圆形单极子半径为12 mm，馈线长度为22.24 mm，宽度为2.07 mm，矩形地板尺寸为22.01 mm×27 mm，并在地板上对称切掉两个直角边长为5 mm和6 mm的直角三角形。为了改善阻抗匹配，在馈线末端地板边缘刻蚀了一个半径为1.6 mm的半圆形凹槽，并在天线贴片上蚀刻了3个外径4.2 mm、环宽0.6 mm、环间距0.5 mm、开口为2.07 mm 的同心圆环，如图3所示。

图3 天线结构设计

基于一种半圆形超宽带单极子天线，在天线贴片上蚀刻超材料结构。由小型化超宽带天线到单环结构天线，到双环结构天线，再到三环结构天线，以此研究超材料结构对天线性能的影响，研究过程如图4所示。

3 结果与讨论

添加单环结构时，对减小天线尺寸进行研究，如图5所示。表1给出了尺寸变化时天线性能的对比，由表1可知，加入超材料结构后（天线2），天线尺寸减小了19%，天线性能变化不大，表明超材料结构的加入可以使得天线的尺寸更小，效果更佳。但是谐振点及陷波的位置还需要后续优化。

图4 天线设计过程

图5 单环结构天线尺寸变化S11曲线图

表1 单环结构天线参数对比 GHz

为研究双开口谐振环结构中圆环开口对天线性能的影响，对同向开口环结构与反向开口环结构进行了仿真分析，并将添加双环结构与单环结构进行对比，如图6所示。表2给出了添加单环结构与双环结构时天线性能的对比。由表2可知，同向开口环所实现的陷波效果较好一些，但总的来说，添加双开口环结构均比单向开口环的天线性能差。

图6 天线参数对比S11曲线图

添加三环结构时，如图7所示，最终优化天线的参数如下：L＝36 mm，w ＝27 mm，h＝1.2 mm，R1＝12.6 mm，D1＝6 mm，D2＝5 mm，Lg1＝22.01 mm，Lg2＝22.24 mm，wg＝2.07 mm，R2＝1.6 mm，R3＝4.2 mm，t＝0.6 mm，s＝0.5 mm，各符号含义见图3。由图7 可知，2～12 GHz时，大部分回波损耗特性均在-12 dB以下，具有很宽的带宽。有4个谐振点频率，且在该频段内VSWR即驻波比均在1～2之间，实现了双陷波。并且该天线的三维辐射方向图形状规则，各个方向均有较好的辐射特性。

表2 天线参数对比 GHz

图7 三开口环结构天线参数曲线图

对环的半径、开口大小及位置等进行研究，经分析，环的半径、每个环的开口大小及位置对天线的带宽、陷波的位置及深度均有影响，有轻微频率波动，如图8所示。

将添加三环结构与双环结构、单环结构进行对比，如图9所示。表3给出了添加三环结构与双环结构、单环结构时天线性能的对比。结果表明，当有一个开口谐振环结构即单环时，天线产生一个陷波；当有3个开口谐振环时，天线产生了两个陷波，且开口谐振环的个数对陷波的位置和个数有很大的影响。

图8 三环结构天线参数对比曲线图

图9 天线参数对比S11参数曲线图

表3 天线参数对比 GHz

4 结 语

本文提出并讨论了一种基于超材料的且具有双频带陷波特性的小型化超宽带天线，天线尺寸27 mm×36 mm，小于大部分同类型天线。该天线工作频段为2.6 ～12 GHz（相对带宽129.7%），满足超宽带的要求，且产生了两个陷波，可排除频段干扰。由于天线尺寸更小、带宽更宽、辐射特性好，该天线可以作为超宽带应用的良好候选。