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一种用于频率分集的矩形SRR开关槽微带贴片

桑托什·库马尔·德维迪蒂1·米特利什·库马尔1.洛凯什.塔拉尼1

发布时间:2018年9月12日

摘要

具有特定谐振模式的平面天线是满足无线通信分集需求的关键。本文提出了一种基于矩形分裂环谐振器(SRR)不同负磁导率响应激励多个谐振频率的微带天线设计模型和实验验证。天线的几何结构由一个开槽的贴片和两个臂之间加载的分裂环谐振器组成。本文建模所采用的天线是介质基板材料为FR-substrate 的微带贴片天线，该天线介质基板的相对介电常数 = 4.4,天线贴片尺寸为30.5毫米times;34毫米。在该天线设计中，使用PIN二极管将SRR的外圈和内环谐振器连接到贴片的相邻臂上。经过验证之后发现，在各种偏置条件下，天线在2.07 GHz、2.11 GHz、2.31 GHz、2.46 GHz处观察到四频谐振。将模拟的S11参数结果进行实验验证之后，实验结果与模拟结果基本一致，这个结论证明了该天线具有稳定的增益和辐射特性。

关键词：频率分集；磁导率；PIN二极管；辐射图；分裂环谐振器

1引言

在快速发展的无线通信技术中，低姿态天线的频率分集问题引起了广泛的关注。文献中提出的许多紧凑多波段天线在一定程度上完全满足了这一需求[1,2]。然而，频率转换操作不是波段的调谐，在微波波段内的频率转换操作一直是一个具有挑战性的问题。这种天线可以使不同的频谱标准可以集成到通信链路的射频前端系统中，所以这种天线在频谱传感器中发挥着重要作用。到目前为止，各种各样的技术被报道可以实现多个频段。这些技术大多包括修改天线接地平面或在在顶部平面开槽[3]，采用分形几何[4]，结合调谐短节[5]，并通过近似耦合的方式在多层技术[6]中实现。近年来，人工工程超材料(MTM)结构在平面微波天线性能增强方面的应用更加层出不穷[7,8]。负介电常数(minus;ε)和负磁导率(minus;mu;)的超材料也为天线的小型化小型化设计提供更多方式[9]。因此，分环谐振器(SRR) [10]和互补分环谐振器(CSRR)[11]这两种结构如今被广泛用来提高天线的性能。SRR结构由于其准静态特性，有助于改变电磁传播和谐振频率，更适合宽带运行。

各种环形谐振器被应用到天线的设计中，以实现天线的多频段。环形谐振器[12]和手性超材料[13]的天线设计也被广泛采用。Rajeshkumar和Raghavan[14]提出了一种带连接环的方形超材料结构，该结构由三角形贴片同时激发，得到了三倍频带。Ali 等人[15]受超材料启发而设计了缺陷的地面天线，其中矩形SRR是在环形贴片内建模的。Varamini 等人[16]采用闵可夫斯基分形排列进行双频天线设计。然而，射频馈电通过外部焊接宽带使天线设计相对笨重。Samson等[17]提出了一种通过单极谐振器实现分裂环谐振器偏置进给的方法，得到了三倍频带。采用类似的方法，Heydari等人设计了双频宽带单极子天线[18]。虽然实现了频率切换能力，但选择性频带是有限的。最近，Yadav和Patel[19]通过电磁带隙结构的周期性排列，引入了1 - 6GHz范围内的宽带频率分集技术，其中基于遗传算法求解，以特定的方式激活单元格结构。通过文献调查发现，SRR超材料激发的天线频率分集设计方法目前并不多见。

本文提出了一种将SRR结构加载到开槽双臂贴片天线中的新技术。该天线通过适当偏置天线系统中的PIN二极管，可以提供不同的频段。第二节讨论了天线的建模方法。提取了所加载的SRR结构的渗透率响应，形成了PIN偏置网络。此外，第3节中给出的参数研究揭示了用于谐振操作的天线参数的最佳尺寸。

第五节详细分析了天线反射系数、辐射图和宽带增益。

2天线设计

目标天线的几何形状是通过修改矩形微带贴片天线(RMSA)与插槽和添加单元单元SRR结构。以传输线模型[20]为初始模型，得到贴片的长度(PL)和宽度(PW)：

（1）

（2）

其中是共振的频率，基本单位是GHz、是衬底介电常数、是底物的有效介电常数、 h是底物的高度，单位为mm、c是光速，单位是m/s。假设 = 2.7 GHz，结合公式得到= 30 mm，= 26.4 mm。将贴片的底边以45°的角度倾斜，以消除表面电流流动路径上的不连续性。在贴片中心部分的金属上开槽，将贴片转变为一种臂宽(t)的叉式结构。天线采用50Ω微带线馈电方式，times;平方毫米连同部分地平面宽度(GL)。微带线宽度采用文献[21]中的公式作为计算值。

（3）

其中： = 35um是金属的的厚度。由于微带线阻抗与其长度无关，因此在天线设计中选取参数为9.5 mm，使天线长度相对紧凑。

为了将SRR结构纳入微带贴片金属化中，的长度修改为30.5 mm。通过在两臂之间引入单元单元SRR结构，耦合的SRR结构改变了天线的谐振频率，有助于获得频率分集。这可以表示为

（4）

这里= ,。和是天线的有效电感(nH)和电容(pF)。和表示SRR结构的电感(nH)和电容(pF)、是SRR结构与贴片之间的边缘场电容，、是两个贴片之间的总电容和电感。SRR结构的尺寸选择通过调节参数值获得mu;lt; 0。重要的是，SW1、SW2、Sh1和Sh2的尺寸取决于获得所需谐振频率所需的集中响应，这已在后面的小节中得到验证。

天线的结构选择介质基板材料为FR-substrate (Ltimes;W平方毫米)，其相对介电常数= 4.4,损耗角正切tandelta;= 0.02，天线介质基板高度h = 1.6毫米。图1显示了天线的完整示意图。天线的相关尺寸如表1所示。经过参数优化后得到了天线的几何尺寸图示。

2.1 SRR材料介质的选择

在研究之前首先分别提取了SRR结构及其u形环形谐振器的磁导率，研究了它们在实现分集频带上的适用性。

图1天线示意图。a前视图，b后视图

表1天线布局参数描述

菲尔德在电场方向(E)和磁场方向(H)以及波矢(kappa;)方向提供了电磁场边界条件。利用[22]给出的鲁棒克拉默-克鲁林关系反演了该结构的渗透率值确定结构参数：

（5）

（6）

其中= zminus;1/z 1， h为介质材料高度，n折射率，z为计算得到的复阻抗，可计算为

(7)

根据公式(5)和(6)渗透率得到mu;=nz，这里

； (8)

图2显示了mu;lt; 0时，内环从2.12到2.29 GHz,外环内圈从2.32到2.48 GHz,和两个完全SRR从2.08到2.23 GHz。这证实了环形谐振器和SRR结构具有非自然发生的超材料特性。因此，环形谐振器可以在天线中独立激活，实现选择性谐振带。

3参数验证

本文研究基于SRR的改进型贴片天线的几何结构，通过研究天线的谐振特性，以获得最佳响应。利用计算机仿真工具微波演播室套件(CST-MWS v. 16)[23]在xyz方向具有自由空间边界条件的时域求解模式下进行了仿真。

从图3a中可以看出，对于较低的值，五边形贴片的长度(PL1)使谐振带变宽。随着PL1值的增大，得到一个较窄的谐振带，并向频谱较低的一侧偏移。这可以归因于贴片电容(Cp)的增加。为改善反射系数，PL1的最佳值为13mm。然而，与较高的值相比，选择PL1 = 10mm提供了宽带。通过改变玻璃纤维的宽度，从6mm到10mm，研究了玻璃纤维的效果。从图3b可以看出，GL不能增加

或者因其导致阻抗匹配不良而无限期降低。因此，选择GL = 8mm进行高阻抗匹配。另一种限制地平面长度的方法是满足去掉地平面的SRR结构的边界条件。否则,负磁导率mu;lt; 0 SRR将不会表现出晶胞。

图2 SRR以及单独的u型环形谐振器的磁导率实部

图3 a PL1，b GL，c t参数变化对比仿真图

随后发现减小臂宽(t)可以降低谐振频率，此时等效电感导致贴片左右臂增大，谐振频率降低，如图3c所示。此外，考虑到参数t = 6mm, SRR结构最适合在辐射片内，使用RF开关容易产生偏置。

4偏置网络配置

频率分集是通过使用PIN二极管将SRR结构的两个独立环形谐振器连接到贴片天线的左臂和右臂来实现的。在图4所示的电路网络中，NXP半导体的PIN二极管(BAP64-02)在正向偏置条件下工作。为了避免电压击穿，PIN二极管的正向直流电压偏置为0.8 V。该电路采用68 nH SMD电感器(Lc)与PIN二极管串联作为射频扼流圈，220 pF直流阻流电容(Cb)与射频源直接连接，实现了射频/直流隔离。值得说明的是串联电感(Ls = 0.6nH)和串联电阻(Rs = 1.35Ω)施加的PIN二极管可能导致轻微的去谐共振频率。

图4 天线偏置网络电路布局

5结果与讨论

该天线是在FR-4衬底上使用光刻方法制作高1.6mm和35mu;m的铜金属化厚度。装配式结构的图像如图5a所示。可以看出，PIN二极管用于将SRR的内环和外环谐振器连接到贴片的相邻臂上。这保证了环形谐振器的均匀激励。利用Keysight Fieldfox微波矢量分析仪(VNA-N9917A)对制作的天线进行了测试，并对s参数进行了验证。图5 b显示了测量设置的组合天线连接到VNA通过50Ω基础射频同轴电缆和泡沫吸收体材料放置在底部一侧的天线，以避免地面反射。

图5 a制作的天线图像，b为天线测试实验装置的照片

图6天线反射系数图(S11)。a模拟值，b测量值

图6a比较了环形谐振器对天线反射系数(S11)影响的仿真结果。没有SRR的开槽贴片的基频为2.69 GHz，而在没有SRR且贴片的两条臂之间没有连接的情况下，得到了2.46 GHz的谐振。在Case-1中，谐振频率下降到2.11 GHz，在Case-2中出现了新的谐振频率为2.31 GHz。这可以归因于SRR结构的内外u形环形谐振腔的负磁导率。很明显，外圈与内环谐振器相比具有更高的电长度，因此Case-1中S11的频率低于Case-2。在Case-3中，所有

资料编号：[5553]