带有互补双裂环谐振腔的微带贴片天线研究

Prashant R.T,¹Vani r.m²， Hunagund P.V.^3.

印度卡纳塔克邦古尔巴加古尔巴加大学应用电子学与应用电子学研究系研究生
印度卡纳塔克邦古尔巴加古尔巴加大学科学仪器中心教授兼负责人
印度卡纳塔克邦古尔巴加古尔巴加大学应用电子学和应用电子学研究系教授

摘要

本文利用IE3D仿真软件设计了带有互补双裂环谐振腔的微带天线，并进行了实际测试。将1 × 3的CDSRR阵列嵌入地平面，并将CDSRR数量增加到3 × 3的配置进行了研究。测量结果表明，在辐射贴片后面的3 × 3 CDSRRs天线在5.32GHz和9.45GHz两个不同频率上发生共振。而没有CDSRRs的天线，即常规天线的谐振频率为5.98GHz。尺寸减小了10.86%，回波损耗(RL)达到-27.33dB (|S11| < -10dB)。在小型化的同时，实现了13.85%的总带宽。这些天线应用于C波段和x波段。

关键字

微带贴片天线;CDSRRs;小型化;带宽;IE3D

介绍

微带天线具有外形小巧、重量轻、结构紧凑、性能优良等特点。有了这些优点，天线可以很容易地制造和集成在固态器件中[1-3]。微带天线广泛应用于单端信号工作的射频设备中。这最近被用于微波设计与超材料的组合，无论是作为覆盖或衬底。在现代无线通信系统中，微带贴片天线是常用的无线设备。因此，天线的小型化已成为减小整个通信系统体积的重要问题。V.G. Veselago在1968年提出了关于超材料(MTM)概念的理论报告。这些超材料通常是人工实现的复合结构，由印刷在介电基片上的周期性金属图案组成。近年来，超材料在微波应用的框架下得到了广泛的研究。在微波频段[4]天线性能的改进方面已经有了一些工作。 It is noted that some principal properties of waves propagating in materials with negative permittivity and negative permeability are considered [5] and high directivity can be obtained from conventional antenna using Metamaterials.

超材料包括SRR，而CSRR在微带天线领域具有特殊的意义。裂环谐振腔(SRR)是实现人工工程负折射率超材料的重要组成部分。在微带结构中很少使用的轴向磁场中观察到电行为。相反，互补型裂环谐振腔(CSRR)因其对轴向电场的响应而有利于微带的应用。这一特性最近被用于设计平面微波元件[6-7]。本文利用矩全波电磁仿真软件IE3D™，在矩形微带天线(RMSA)的地平面上实现了互补双散裂环形谐振器(CDSRR)，并对其行为进行了研究。在IE3D中，地面上的任何多边形都被层视为槽[8]。双裂环谐振器(DSRR)及其互补谐振器如图2所示。互补部分是地平面上dsrr的蚀刻部分。本文介绍了一种基于CDSRRs的微带贴片天线。

天线及ds-csrr结构设计

图1(a)显示了所提出的常规微带天线的几何结构，选用了低成本的玻璃环氧FR4介电材料，其相对介电常数(εr)为4.4，厚度(h)为1.6mm。传统的MSA设计为尺寸为L和W的6ghz辐射部分，由尺寸为Lf和宽度为Wf的简单50 Ω微带馈电激励，使用长度为Lt和Wt的四分之一波长变压器进行阻抗匹配。天线接地面的长度Lg和Wg分别计算为Lg=6h+L和Wg=6h+ W，各尺寸如表1所示。

研究通过在地平面蚀刻方形CDSRRs进行，如图1(b)所示。最初，三个CDSRRs阵列从地平面蚀刻，位置为(x, y) = (0,0) mm，每个CDSRRs之间的间距为0.8mm，称为Antenna1。接下来介绍了另一个带有2 x 3 CDSRRs阵列的天线，其位置为x = 4 mm和y= 0 mm，称为Antenna2。最后，天线3是3 x 3个CDSRRs阵列，位置x= (- 4,0,4) mm和y= (0,0,0) mm，每个CDSRRs之间的间距为0.8 mm，在图1(d)所示的辐射补丁区域下蚀刻。通过增加cdsrr阵列，天线的谐振频率向左偏移，天线的尺寸实际上减小了。所以，最终优化的天线，即天线3，它在两个不同的频率点共振。CDSRR的参数为SL = 3.2mm, Sw= 0.2mm, g= 0.2mm, S= 1.6mm。图2显示了增加变量后CDSRR的放大几何形状。图3是优化后的微带贴片天线的摄影视图。

结果和讨论

仿真使用mentor graphics IE3D 14.65版仿真软件进行。采用矢量网络分析仪(VNA)(罗德和施瓦茨，德国ZVK型号1127.8651)对所提出的天线参数进行测量。

图4给出了常规微带天线、天线1、天线2和天线3的回波损耗仿真特性。从图中可以看出，常规微带天线的谐振频率为5.90GHz，优化后的天线3的谐振频率为5.31GHz。利用公式确定了阻抗带宽除以回波损耗小于-10dB

式中，f1、f2分别为回波损耗达到-10dB时波段的下截止频率和上截止频率，fC为f1和f2之间的中心频率。模拟结果的所有参数如表2所示。

首先比较常规天线与预制常规天线的回波损耗特性，如图5所示。实测的常规天线的共振频率为Fr = 5.98GHz，带宽为250 MHz。在接下来的步骤中，制作并测量了优化后的CDSRRs负载天线3，该天线分别在Fr1= 5.32 GHz和Fr2 =9.45 GHz两个不同频率点谐振，带宽分别为180 MHz和990 MHz。将实测回波损失特性与模拟值进行比较，结果如表3所示。图7给出了天线3的回波损失仿真和实测特性。从图中可以看出，模拟结果与实测结果吻合较好。

图7(a)和图7(b)分别为常规微带天线和天线3在各自工作波段的辐射规律。从这些图中可以看出，两种情况下的图案本质上都是侧面的。

结束语

本文提出了一种基于CDSRRs的超材料天线设计方案。由于CDSRRs的加入，传统微带天线以前在一个频率共振，现在产生两个工作频率。在每个频率下，都获得了良好的匹配和尺寸减小。模拟结果与实测结果吻合良好，验证了我们的设计。本文提出的CDSRRs天线为我们设计多波段天线提供了一种新的方法。此外，由于cdsrr的存在，微带天线可以实现尺寸减小和带宽增强。

确认

作者感谢UGC，新德里批准了重大研究项目下的IE3D仿真软件，该软件对于设计微带天线最有用和最可靠;DST，新德里批准了矢量网络分析仪，用于测量预制天线的参数。

参考文献

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Zeland Mentor Graphics IE3D仿真软件版本14.65,2010。