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        一種基于超介質(zhì)的超寬帶天線設(shè)計

        2021-10-31 01:37:16鞠艷杰雷詩雨薛嚴冰
        大連交通大學學報 2021年5期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計

        鞠艷杰,雷詩雨,薛嚴冰

        (1. 大連交通大學 自動化與電氣工程學院,遼寧 大連 1160281; 2.天津軌道交通運營集團有限公司,天津 300392)*

        超介質(zhì)(Metamaterial)是一種人工合成的電磁材料,能夠根據(jù)工作需要對其電磁特性進行設(shè)計,可以表現(xiàn)出類似均勻介質(zhì)的宏觀參數(shù),如介電常數(shù)和磁導率.超介質(zhì)具備目前自然材料所不具備的特性,近年來,在微波天線等相關(guān)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,備受關(guān)注[1-2].

        為了滿足超寬帶系統(tǒng)的要求而設(shè)計的天線就是超寬帶天線.2002年,F(xiàn)CC頒布商業(yè)許可,允許超寬帶系統(tǒng)在3.1~10.6 GHz的頻率范圍內(nèi)使用[3].相比于傳統(tǒng)窄帶天線,超寬帶天線體積更小、帶寬更寬、輻射特性更好.在材料科學和新工藝的發(fā)展推動下,超寬帶天線領(lǐng)域發(fā)展迅速.

        目前已經(jīng)提出了多種結(jié)構(gòu)的超介質(zhì),例如開口諧振環(huán)(Split Ring Resonators,SRR)[4],漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)[5],SRR對[6],缺口I型[7]等.超介質(zhì)的出現(xiàn)為超寬帶天線的設(shè)計提供了一種新的思路,現(xiàn)已取得一定研究進展.文獻[8]通過在八角環(huán)形諧振器上開縫控制超介質(zhì)結(jié)構(gòu)的電容,設(shè)計了一款超寬帶天線.最終設(shè)計的天線增益很高,但是帶寬只能覆蓋3.9~10 GHz,無法完全滿足超寬帶要求,且天線尺寸較大.文獻[9]提出了基于八角螺旋諧振器與I型超介質(zhì)相結(jié)合的超寬帶天線.該天線帶寬為5.2~13.9 GHz,最高增益為1.2~3.85dB.所設(shè)計的超介質(zhì)造價低,適合應(yīng)用.但是該天線的尺寸太大,增益較小且并未完全覆蓋超寬帶頻帶.文獻[10]設(shè)計了一種花形超介質(zhì),在輻射貼片上周期刻蝕該超介質(zhì)的同時在接地板刻蝕十字交叉圖案,拓展微帶天線的頻帶寬度.改進后的天線相對帶寬為3.5~11.6 GHz,阻抗帶寬達到107.3%.天線刻蝕結(jié)構(gòu)較復雜,且低頻部分并未完全覆蓋超寬帶頻段.文獻[11]設(shè)計了一種改進的超介質(zhì)加載的緊湊型超寬帶微帶天線.天線輻射貼片刻蝕四切槽超介質(zhì),接地板上排列周期的十字交叉縫.天線的回波損耗在3.84~22.77GHz的頻率范圍內(nèi)小于-10 dB和原始貼片天線對比,改進天線帶寬是原天線的6倍,通過超介質(zhì)輻射貼片與基板上的導電地面的耦合以不同的形狀來擴大工作帶寬.同樣該天線結(jié)構(gòu)復雜,低頻部分沒有達到超寬帶天線的要求.

        本文設(shè)計了一種基于SRR與電容加載帶(Capacitively Loaded Strips,CLS)集成超介質(zhì),將其加載到微帶天線上,使得天線產(chǎn)生多個諧振頻點,通過缺陷地及輻射貼片開槽,諧振頻點融合,將微帶天線頻帶展寬,完全覆蓋超寬帶范圍.

        1 原始微帶天線

        原始微帶天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,選取最為常見的FR4板作為天線的介質(zhì)基底,εr=4.4,厚度為1.6 mm.W1=14.9 mm,L1=5.6 mm,L2=13.6 mm,使用寬度為3 mm的微帶線進行饋電,天線尺寸為21mm×21 mm.用射頻仿真軟件HFSS對其進行仿真,圖1(b)顯示天線-10 dB帶寬僅有9.15~9.32 GHz,基本不能正常使用.運用超介質(zhì)對該天線進行加載和優(yōu)化,使得最終設(shè)計的天線工作帶寬能夠達到超寬帶頻段.

        (a) 微帶天線結(jié)構(gòu) (b) 天線的阻抗帶寬圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)及阻抗帶寬

        2 超介質(zhì)加載超寬帶天線設(shè)計

        2.1 超介質(zhì)設(shè)計

        在相同的FR4基板上設(shè)計超介質(zhì),結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,在方形SRR底部添加了CLS.其中SRR產(chǎn)生垂直磁場諧振,有三個磁諧振頻點,分別由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和內(nèi)外環(huán)之間耦合產(chǎn)生.通過改變SRR的邊長L3可以調(diào)節(jié)外環(huán)諧振頻率,改變環(huán)距d調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)諧振頻率,改變環(huán)距w對SRR內(nèi)外環(huán)諧振頻點進行微調(diào).CLS的I形帶狀線用作電偶極子并模擬長金屬線[12],可以通過并聯(lián)電場產(chǎn)生諧振,電諧振頻率可通過L4調(diào)節(jié).因此SRR和CLS的組合結(jié)構(gòu)能夠同時產(chǎn)生磁諧振和電諧振[13],同時兩個共振機制通過組合感應(yīng)電流實現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的較低共振[14].

        (a) 超介質(zhì)結(jié)構(gòu) (b) 超介質(zhì)的傳輸系數(shù)圖2 設(shè)計的超介質(zhì)結(jié)構(gòu)及傳輸系數(shù)

        由于原始微帶天線在整個超寬帶范圍內(nèi)均無法實現(xiàn)阻抗匹配,設(shè)計加載的超介質(zhì)諧振頻點要盡可能的均勻分布在超寬帶范圍內(nèi),因此設(shè)計超介質(zhì)結(jié)構(gòu)有3個諧振頻點,分別在4、8和10 GHz附近.對SRR結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,當L3=5mm,w=0.4 mm,g=0.5 mm,d=0.3 mm時,由內(nèi)外環(huán)產(chǎn)生的諧振點分別在3.88和8.28 GHz.對CLS優(yōu)化,當L4=5 mm時,CLS的諧振頻點為11.97GHz.將二者進行集成,設(shè)計的超介質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)仿真結(jié)果如圖2(b)所示,可以看出,該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生三個諧振點,分別在3.62、8和10.42GHz,其中第一個和第二個諧振頻點由SRR產(chǎn)生,第三個諧振頻點由CLS產(chǎn)生.

        2.2 超介質(zhì)電磁參數(shù)提取

        使用S參數(shù)提取法[15]對超介質(zhì)進行本構(gòu)參數(shù)提取,該方法是指通過S參數(shù)的相位和幅度準確提取出超介質(zhì)的本構(gòu)參數(shù).首先,定義一個均勻介質(zhì)的轉(zhuǎn)移矩陣,將其歸一化后,形式如下:

        (1)

        其中,n是折射率,z是波阻抗,d是波輻射方向上均勻介質(zhì)的厚度,k是自由空間的波數(shù).

        通過轉(zhuǎn)移矩陣與散射矩陣的變化關(guān)系,可得散射參數(shù)如下式:

        (2)

        (3)

        根據(jù)式(2)、式(3)即可得波阻抗和折射率如下:

        (4)

        (5)

        根據(jù)波阻抗和折射率,可得本構(gòu)參數(shù):

        ε=n/z,μ=n·z

        (6)

        對設(shè)計的超介質(zhì)進行參數(shù)反演,得到的介電常數(shù)如圖3(a)所示,在2~13 GHz頻率范圍內(nèi)介電常數(shù)實部都為負值;磁導率如圖3(b)所示,在圖2(b)的三個諧振頻點附近,磁導率實部都小于0.說明設(shè)計結(jié)構(gòu)為超介質(zhì)結(jié)構(gòu)且諧振頻率滿足設(shè)計要求,可以加載到天線上.

        (a) 介電常數(shù)實部 (b) 磁導率實部圖3 設(shè)計的超介質(zhì)本構(gòu)參數(shù)

        2.3 超寬帶加載個數(shù)設(shè)計

        由于超介質(zhì)上可以形成表面電流,所以超介質(zhì)單元本身就是輻射源,表面電流與SRR和CLS的磁偶極矩[16]有關(guān),關(guān)系式如式(7)、(8):

        (7)

        (8)

        r是表面電流單元指向pm/pe計算點的位移矢量,r′是當前單元位置,ds′是差動載流表面元件.當超介質(zhì)單元被本征電流激發(fā)時能夠成為有效的輻射源,因此,可以激發(fā)超介質(zhì)的本征頻率使其作為有效的輻射源加載到天線上.超介質(zhì)加載個數(shù)不同造成其在天線表面產(chǎn)生的輻射性能不同.

        依據(jù)原始微帶天線輻射貼片長度及超介質(zhì)尺寸,將1~3個超介質(zhì)分別加載到天線上,對比超介質(zhì)個數(shù)對改善天線帶寬的影響,圖4是仿真得到的不同超介質(zhì)加載天線的回波損耗.從圖中可以看出,超介質(zhì)可以形成有效的輻射源加載到天線上,改變天線的傳輸特性.加載的超介質(zhì)個數(shù)越多,產(chǎn)生的諧振頻點越多,加載三個超介質(zhì)的天線分別在3.11、5.13、7.64、9.6、10.42和11.68 GHz產(chǎn)生諧振,在-10 dB以下的諧振個數(shù)達到4個;同時增加超介質(zhì)個數(shù)可進一步改善諧振點的阻抗匹配,特別是在高頻處更加明顯,加載3個超介質(zhì)的天線阻抗匹配更好,所以確定天線加載三個超介質(zhì).

        圖4 加載不同超介質(zhì)個數(shù)的阻抗帶寬

        2.4 超介質(zhì)加載天線結(jié)構(gòu)的改進

        加載超介質(zhì)后天線雖然能夠產(chǎn)生多個諧振頻點,但并沒有達到超寬帶的頻帶范圍要求.根據(jù)文獻[17]關(guān)閉超介質(zhì)外環(huán)的開口,可以降低SRR的串聯(lián)電容,增強外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的耦合,從而實現(xiàn)展寬后向波通帶.改進超介質(zhì)結(jié)構(gòu),將外環(huán)開口關(guān)閉;為了減小品質(zhì)因數(shù)以擴大天線帶寬,根據(jù)文獻[18-19],減小天線接地面的同時減小天線輻射貼片的表面積.天線最終結(jié)構(gòu)如圖5所示,整體尺寸為30.5 mm×21 mm×1.6 mm,在輻射貼片中心開5.6 mm×1.5 mm的長方形槽,兩底角處切去底邊為1.5 mm、高2.4 mm的三角形;減小接地板長度,在接地板上構(gòu)造缺陷地.可以通過調(diào)節(jié)接地板長度p對天線性能進行微調(diào).

        圖5 改進的超寬帶結(jié)構(gòu)圖

        3 天線性能分析

        3.1 缺陷地對改善帶寬的影響

        接地板長度p對天線阻抗帶寬的影響如圖6(a)所示.可以看出p=9 mm時,天線的低頻特性不滿足要求;p=10 mm時,天線的低頻特性改善;當p=11 mm時,天線的高頻特性變差;當p=12mm時,天線的阻抗帶寬總體最差,所以選取p在10~11 mm之間進行優(yōu)化.優(yōu)化后p=10.5 mm,仿真結(jié)果如圖6(b)所示,阻抗帶寬達到2.89~12.07 GHz,相對帶寬為127.72%,是加載前窄帶微帶天線的54倍,達到超寬帶的要求.

        (a) 不同接地板長度對天線阻抗帶寬的影響

        (b) 優(yōu)化后天線的阻抗帶寬圖6 接地板對天線的影響及優(yōu)化后的阻抗帶寬

        3.2 天線的輻射特性

        圖7是設(shè)計的超寬帶天線在4、6、8、10 GHz的E面和H面圖,可以看出天線在整個頻段內(nèi)基本上保持了E面的“啞鈴”型,H面的全向性,證明天線的輻射特性良好.

        (a) 4GHz (b) 6GHz

        (c) 8GHz (d) 10GHz圖7 天線的輻射特性

        3.3 天線的表面電流

        設(shè)計的超寬帶天線在4、6、8、10 GHz的表面電流分布如圖8所示,從圖中可以看出,電流主要分布在超介質(zhì)、輻射貼片開槽以及缺陷地處,證明三者對展寬天線帶寬起到了重要作用.

        (a) 4GHz (b) 6GHz

        (c) 8GHz (d) 10GHz圖8 超寬帶天線的表面電流

        4 實驗與結(jié)果分析

        采用濕腐法,在FR4介質(zhì)基板上制作了所設(shè)計的超寬帶天線,天線的實物圖如圖9所示.

        (a) 正面 (b) 背面圖9 天線實物圖

        用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent N5242A),對天線進行實測,通過測量回波損耗S11獲得天線的阻抗帶寬.測試結(jié)果如圖10所示,可以看出天線的阻抗帶寬達到2.60~12.05 GHz,與仿真結(jié)果吻合.在7.56~7.83 GHz小范圍頻率內(nèi),S11在-10 dB以上,可能的原因是FR4板的穩(wěn)定性較差、SMA頭的不完全匹配、天線的制作工藝以及焊接損耗.測試結(jié)果表明,超介質(zhì)加載的天線帶寬覆蓋超寬帶天線的頻段,符合設(shè)計要求.

        圖10 天線的實測結(jié)果圖

        表1將設(shè)計的超寬帶天線與同類文獻就天線尺寸、頻帶寬度等指標進行對比.可知,本文所提出的超寬帶天線尺寸小,阻抗帶寬與相對帶寬明顯優(yōu)于同類文獻,且完全覆蓋超寬帶頻帶范圍.

        表1 同類文獻對比

        5 結(jié)論

        本文通過將CLS與SRR結(jié)合設(shè)計了一款在超寬帶頻段內(nèi)既具有負介電常數(shù)又具有負磁導率的超介質(zhì),將該超介質(zhì)加載到窄帶微帶天線上,對窄帶天線的頻帶進行展寬.通過研究加載超介質(zhì)個數(shù)及接地板長度確定天線參數(shù),天線實測結(jié)果表明,阻抗帶寬達到2.60~12.05 GHz,相對帶寬為129.01%,是原始天線的56倍.設(shè)計的基于超介質(zhì)的超寬帶天線體積小,結(jié)構(gòu)簡單,在整個超寬帶頻帶范圍內(nèi)具有全向性,在醫(yī)學成像、通信測量等領(lǐng)域有應(yīng)用潛力.

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