一种加载CSRR 的新型三频微带天线

·63· 一种加载 CSRR 的新型三频微带天线 谢一泓 李 龙 梁昌洪 （西安电子科技大学电子工程学院，西安 710071） lilong@mail.xidian.edu.cn 摘 要：本文介绍了一种基于互补对称分裂环（CSRR）的新型三频小型化圆形微带天线。该天线首先用双 层结构实现双频，并通过将开口谐振环刻蚀在天线第二层的贴片上产生第三个频带同时达到了小型化的效 果。所设计三频微带天线在三个工作带内都有很好的性能。利用这种新型天线可以简易地同时实现三频及 天线的小型化。文中给出了具体的仿真结果并加以讨论。 关键词：三频 微带天线 开口谐振环 小型化 A Novel Tri-Band Patch Antenna Based on CSRR Xie Yihong，Li Long，Liang Changhong （School of Electronic Engineering，Xidian University，Xi’an 710071） Abstract： In this paper，a novel double-layer tri-band miniaturized circular microstrip antenna based on complementary split ring resonators（CSRR）is presented. A dual-band antenna is realized by utilizing the double layer structure and then a CSRR unit cell is embedded into the second layer to produce a third working band and achieve miniaturization at the same time. The proposed antenna shows good performance at all triple resonant frequencies. It is beneficial for designing a tri-band antenna as well as a miniaturized antenna flexibly. Details of the simulation results are presented and discussed. Key words：CSRR，Tri-band microstrip antenna，miniaturization 1 引言 左手材料（LHM）的概念首次由 Veselago 在 1968 年提出[1]，而 Pendry 在 1999 时用开口谐振环 （SRRs）实现了负磁导率材料[2]。直到 2000 年才由 Smith 用包含开口谐振环和金属条的二维周期结构 实现了左手材料[3]。 作为人工材料的基本组成部分，SRRs 已经被 应用于许多方面，如抑制地板的影响、波导滤波 器[4-5]。这个结构最吸引人的特性是它能在远小于 基金项目：新世纪优秀人才支持计划资助项目，国家自然科学基金资助 项目（No.61072017 和 No.60801040），教育部留学回国人员科研启动基 金资助项目，中央高校基本科研业务费专项资金资助。 其尺寸的波长频率表现出准静态谐振。因此用 SRRs 来设计小型化天线引起了人们的广泛关注。 考虑到对偶的概念，由开口谐振环的负磁导率特性 可以推出互补开口谐振环（CSRRs）的负介电常数 特性。CSRRs 在平面滤波器[6]及小型化天线[7]方面 都有很大的潜在应用。 本文中提出了一种基于 CSRR 的新型三频小 型化微带圆形天线。该种天线结构包括两层介质 三层金属，通过三层金属之间的相互作用巧妙实 现三频，并通过在第二层金属上刻蚀 CSRR 达到 了小型化的效果。文中给出了具体的仿真结果并 加以讨论。 ·64· 2 双层双频天线设计及 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 文中首先利用双层结构设计了一个双频天线， 结构如图 1 所示。设计中所用到介质基板的相对介 电常数为 65.2r ，两层介质基板的总厚度是 1.5mm。先设计普通的圆形贴片天线，然后在圆形 贴片天线的介质基板中间加入一个比天线贴片大的 圆盘，圆盘将介质基板分成上下两层。当各个结构 参数为：R1=10mm，R2=15mm，R3=20mm 时仿真 得到天线的 S11 曲线如图 2 所示。由图可知，双层 结构天线有两个谐振点，分别是 3.5GHz 和 5.2GHz，天线在两个谐振频率点处均能得到较好的 匹配，S11 最低值分别为-16.6dB 和-20.5dB。图 3 给出了天线在两个谐振点处的辐射方向图。由图可 知，天线在两个工作带内均保持了圆形微带天线的 辐射模式。 （a）俯视图 （b）侧视图 图 1 未加载 CSRR 双频天线结构图 3 4 5 6 -25 -20 -15 -10 -5 0 |S 11 |(d B ) Frequency(GHz) 图 2 .双频天线 S11 曲线 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 -20 -10 0 10 R ad ia tio n pa tte rn s (d B ) （a）3.5GHz 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 -20 -10 0 10 R ad ia tio n pa tte rn s (d B ) H_plane E_plane （b）5.2GHz 图 3 双频天线辐射方向图 3 基于CSRR三频小型化天线设计及分析 在前面所设计的双频天线的中间层金属圆盘上刻 蚀一个 CSRR，天线结构及所刻蚀 CSRR 如图 4 所 示。当取 CSRR 的参数为 R_ex=8mm，W=S=G=1mm 时，仿真得到刻蚀 CSRR 后天线的 S11 曲线如图 5 所 示。如图可知，天线有三个工作频带，中心频率分别 为 3.08GHz，4.48GHz 和 4.96GHz，带内 S11 最低值 分别为-20.6dB，-18.6dB 和-16.7dB。其中第二个工作 带是由于所加入的 CSRR 谐振产生的，而与没有加入 CSRR 时相比，加入 CSRR 后原来其它两个工作带均 向低频移动了。图 6 给出了天线在这三个谐振点处的 辐射方向图。由图可知，天线在三个工作带内仍保持 了很好的辐射特性。 （a）三频天线结构图 （b）CSRR 图 4 ·65· 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 -25 -20 -15 -10 -5 0 |S |(d B ) Frequency(GHz) 图 5 三频天线 S11 曲线 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 -20 -10 0 10 R ad ia tio n pa tte rn s (d B ) （a）3.08GHz 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 -20 -10 0 10 R ad ia tio n pa tte rn s (d B ) （b）4.48GHz 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 -20 -10 0 10 R ad ia tio n pa tte rn s (d B ) H_plane E_plane （c）4.96GHz 图 6 三频天线辐射方向图 4 结论 本文提出了一种新型三频微带天线，该三频天 线首先利用双层结构实现双频，再加入 CSRR 来产 生第三个工作频带，从而实现了三频。所设计三频 微带天线在三个工作带内都有很好的性能。通过简 单调整 CSRR 环的尺寸，可以简易地同时实现三频 及天线的小型化。 参 考 文 献 [1] V. G. Veselago，“Electrodynamics of substrates with simultaneously negative values of  and  ”，Sov. Phys-Usp，vol. 10， pp. 509 - 514，Apr. 1968. [2] J. B. Pendry，A. J. Holden，D. J. Robbins，W. J. Stewart，“Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena”，IEEE Trans on MTT，vol. 47，pp. 2075- 2084，1999. [3] D. R. Smith，W. J. Padilla，D. C. Wier，S. C. Nemat-Nasser，and S. Schultz，“Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity ”，Phys. Rev. Lett.，vol. 84，pp. 4184-4187，May 2000. [4] R. W. Ziolkowski，“Design，fabrication，and testing of double negative metamaterials”，IEEE Trans. Antennas Propagat.， vol. 14，no. 51，pp. 1516-1529，2003. [5] Hrabar S.，Bartolic J.，and Sipus Z.，“Waveguide miniaturization using uniaxial permeability metamaterial”，IEEE Trans. Antennas Propagat.，vol. 53，pp.110-119，2005. [6] F. Martin，F. Falcone，J. Bonache，T. Lopetegi，R. Marques，and M. Sorolla，“Miniaturized coplanar waveguide stopband filters based on multiple tuned split ring resonators”，IEEE Microw. Wireless compon. Lett.，vol. 13，no. 12，pp.511-513. [7] J. J. Ma，X. Y. Cao，and T. Liu，“Design the size reduction patch antenna based on complementary split ring resonators”，In proceedings of International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology（ICMMT），pp. 401-402，May 2010.