单环SRR型左手材料对微带天线增益提高的研究

单环SRR型左手材料对微带天线增益提高的研究

摘要:本文以左手材料为研究背景,研究其应用于微带天线对增益特性的影响。通过分析矩形微带天线的特性参数得出要求设计的微带贴片尺寸。又在其上加载单环SRR型左手材料天线罩并对其进行仿真,分析其对天线增益的提高效果。

关键词:左手材料微带天线增益提高

作为一种新型的电磁材料,左手材料具有独特的电磁特性,如负折射率,负多普勒效应,逆楔伦可夫辐射等。虽然左手材料仅在最近十年才得到深入研究,但国内外众多科研小组在这个领域已开展了大量的研究工作,并取得了丰硕的成果。与传统天线相比,利用左手材料及单负材料设计出的新型天线具有性能和结构上的双重优势,在商业和军事上均有广阔的应用前景。本文首先分析了矩形微带天线的特性参数,以此设计矩形微带天线。并设计了单环SRR型左手材料的天线罩并对其进行仿真。得出加载该SRR环的天线罩一定程度上提高了天线增益。

1、微带天线概述

1.1 微带辐射贴片尺寸

设介质基板的介电常数为,对于工作频率的矩形微带天线,其高效率辐射贴片的宽度W为:

其中c为光速。

辐射贴片的长度一般取

是介质的导波波长,即:

考虑边缘缩短效应,实际辐射单元长度L为:

式中为有效介电常数,为等效辐射缝隙长度。

它们可分别用下式计算:

1.2 频带宽度和增益

微带天线的设计过程中,带宽和增益都影响其应用的重要指标。天线的频带宽度以驻波系数小于某个给定值,对应的频率范围来确定,即

其中Q为微带天线的品质因数。

工程实践中,由于实际的,故品质因数可由近似估计,即

根据微带天线尺寸,可以近似得到天线的增益G可由下式计算:

其中,为天线的效率,D为天线的方向系数。

2、加载天线罩前矩形微带天线参数

2.1 加载前矩形微带天线的HFSS仿真

按上述求解对矩形微带天线的参数进行变量定义,见表1。

表1 变量定义

图1 矩形微带天线模型

图2 矩形微带天线S11参数

图3 矩形微带天线3D增益方向图

图4 矩形微带天线的远场主极化面方向图（E面、H面）

由图2可见,矩形微带天线的频点在2.45G,回波损耗-26.7dB,说明天线谐振特性很好,满足工程上的要求。由图3和4可看出,矩形微带天线的方向图类似苹果形,能量集中在主瓣方向,后瓣小,天线最大增益为3.54dB。

2.2 加载单环SRR型左手材料的矩形微带天线

增益小是微带天线的一大缺点,传统的解决方法是组成阵列天线或通过介质加盖来提高天线的增益。本文应用SRR开口谐振环构成各向异性的负磁导率天线罩来提高天线的增益,从而改善天线的性能。

3、单环SRR型天线罩的模型设计

图5 单环SRR型天线罩模型

图5为加载单环SRR型天线罩的矩形微带天线结构。采用了上述谐振频率为2.45GHz的矩形微带天线尺寸（见表1）。天线罩为介电常数4.4,厚度1.6mm 的FR4环氧树脂板,大小为74.45mm×74.52mm。罩上印刷7*7共49个SRR,每个SRR开口谐振环尺寸相同,外径=3mm,内径=2mm,环开口宽度=0.5mm,SRR环间距=4mm。

利用HFSS进行仿真,得仿真结果。

图6 加罩前和加罩后的S11参数

（a）远场主极化面方向图（E面H面）

（b）Thete由-90°到90°增益放大对比

图7 加罩前和加罩后的增益对比

从图6可看到加天线罩后天线的回波损耗从-26dB加深到-36dB,谐振效果明显改善,且天线的谐振频率基本不变,说明天线阻匹配变得更佳,同时,在-10dB处天线的带宽也并未因加载左手材料而变窄。由图7可看出,加罩后天线方向性几乎不变,增益从3.54dB增大到4.14dB,增加了16.94%,说明天线罩可以使天线的增益增加。

4、结语

同目前其他学者采用的方法相比,本文主要研究利用左手材料提高天线增益的方法和结构。分析了矩形微带天线的特性参数,通过分析得出要求设计的矩形微带天线贴片的尺寸,设计出性能较好的矩形微带天线。利用HFSS软件对设计的微带天线进行仿真,并对其优化设计。设计了单环SRR型左手材料的天线罩并对其进行仿真,分析其对天线增益的提高效果。

参考文献

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