一種基于CSRR結構的全向微帶縫隙陣列天線設計*

曹 源，劉宇峰，張 驕，張文梅

(山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006)

0 引 言

隨著現代移動無線通信、雷達以及電子系統的迅速發展，對用于無線通信的全向天線的性能提出了更高要求. 理想的全向天線應在水平面內具有良好的全向輻射特性，輻射傾斜角易于調節，可實現高增益且在工作頻帶內增益變化小，可由50 Ω同軸線直接饋電，結構緊湊. 目前國內外常用的全向天線的設計結構為同軸共形[1]，其結構簡單，并可通過陣列的形式來提高天線增益，但饋電結構相對復雜. 平面偶極子陣列天線[2，3]通過對偶極子天線結構參數的優化和饋電控制調節環上電流流動，形成均勻同相環狀電流，實現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，從而實現了天線帶寬的展寬，但其增益變化較大. 因此，現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和磁導率在特定頻帶內表現為負值的獨特電磁特性，在近年來獲得了極大的發展. Pendry等[6]于1999年首次提出金屬開口諧振環(SRR)可以在微波波段獲得負磁導率，SRR由一對具有不同半徑的同心相對金屬環構成. 而后研究人員將SRR的結構蝕刻在金屬面上得到了其對偶結構CSRR，它可以等效為并聯LC諧振電路，并被與環平面垂直的電場激勵產生諧振，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縫隙結構的全向天線.

本文提出的天線基于懸置微帶線結構，通過在兩側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，工作頻帶內實現了高增益以及較小的增益變化，且能夠對輻射傾斜角進行調節，較好地滿足了理想全向天線的要求.

1 天線設計及工作原理

1.1 CSRR結構設計

CSRR由一對開口方向相反的介質狹縫組成，其單元結構和等效電路如圖1所示，圖1(a)中淺灰色表示金屬接地板，深灰色的環形縫隙表示在金屬接地板上蝕刻的SRR. 根據對偶原理[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為介質基板的相對介電常數；r1為外環諧振器的半徑；r2為內環諧振器的半徑；d為內外環間距.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為整個環路的等效電容，C01+C02=2πr0Cpul，Cpul為環之間的單位長度電容.r0=(r1+r2)/2為環的平均半徑[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半徑r1及環寬c1決定，其余參數的值可由式(5)計算得出. 通過計算并進行掃參分析，最終得出CSRR各參數如表1 所示.

圖 1 CSRR單元結構及CSRR等效電路圖

表1 CSRR參數

(a) r1對|S11|參數的影響

(b) c1對|S11|參數的影響

(c) s1對|S11|參數的影響

如圖 2(a) 所示，在其它參數不變的情況下，發現隨著外環半徑r1的增大，環縫變長，導致CSRR等效電路中的C0變大，諧振頻率向低頻移動. 當r1=8.47 mm時，在5.8 GHz附近的傳輸性能最佳.

如圖 2(b) 所示，在其它參數不變的情況下，隨著環寬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，在其它參數不變的情況下，隨著開口間距s1的增大，環縫長度相對減小，導致等效電路中的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 懸置微帶線設計

如圖 3 所示，所提出的天線由寬度為Wc=1.4 mm 的中心導帶和兩個接地面組成. 中心導帶嵌入到相對介電常數εr=2.65、損耗正切角 tanδ=0.003和厚度h=2 mm的介質基板中，基板兩側為金屬接地平面以構成懸置微帶線. 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設置為20 mm，微帶線的另一端BB′及所有的側壁均開放. 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個結構參數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. 經過CST仿真優化，最終確定Dl=30.9 mm(0.97λ)，Dt=14.4 mm(0.45λ)，Dr=1.6 mm(0.05λ).

圖 3 天線的結構

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縫隙被與環平面垂直的電場激勵產生諧振，電磁能量從帶狀線逐漸耦合并從CSRR縫隙輻射，這導致了電流的衰減. 通過將縫隙互相之間旋轉180°，天線的電流分布更加均勻，從而產生良好的全向性. 對于CSRR 縫隙，電流在內環充當傳輸線，其對遠場輻射的貢獻很小，而在外環的電流密度大，因此可充當輻射器. 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，并在水平平面中產生具有高增益的全向遠場輻射.

圖 4 5.8 GHz處的表面電流

2 仿真結果分析

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，本文所設計的天線具有非常好的全向輻射性能，天線的最大增益達到了9.63 dBi. 主瓣完全在水平面內，即該天線的輻射傾角可以精確調整. 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，本天線采用串聯饋電結構，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的最大增益變化的仿真結果. 在天線的|S11|<-10 dB的阻抗帶寬(5.69 GHz～5.97 GHz)內，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(相應的傾斜角范圍為-5°～8°)，水平面內的最大增益變化在0.5 dB內. 仿真結果表明，所提出的天線在工作頻帶內能夠保持穩定的全向輻射性能.

(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 在水平面內天線的最大增益變化

3 結 語

本文設計了一種基于CSRR的新型全向平面縫隙陣列天線，它采用簡單的帶狀線結構，通過在金屬地面蝕刻開口朝向相反的CSRR結構實現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)，最大增益達到9.63 dBi，且增益變化小于0.5 dB，輻射傾斜角可精確調整，并能在帶寬范圍內保持穩定的全向性能. 因此，該天線能夠很好地適用于無線通信系統.