曹 源，刘宇峰，张 骄，张文梅

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

随着现代移动无线通信、雷达以及电子系统的迅速发展，对用于无线通信的全向天线的性能提出了更高要求. 理想的全向天线应在水平面内具有良好的全向辐射特性，辐射倾斜角易于调节，可实现高增益且在工作频带内增益变化小，可由50 Ω同轴线直接馈电，结构紧凑. 目前国内外常用的全向天线的设计结构为同轴共形[1]，其结构简单，并可通过阵列的形式来提高天线增益，但馈电结构相对复杂. 平面偶极子阵列天线[2，3]通过对偶极子天线结构参数的优化和馈电控制调节环上电流流动，形成均匀同相环状电流，实现水平全向辐射方向图，但其增益低. 微带贴片阵列天线[4]和微带缝隙阵列天线[5]使用微带阵列天线可以同时满足天线的小型化和高增益的要求，通过引入缝隙增加了新的谐振，从而实现了天线带宽的展宽，但其增益变化较大. 因此，现有的研究成果几乎不能同时满足理想天线的所有要求.

左手材料由于其介电常数和磁导率在特定频带内表现为负值的独特电磁特性，在近年来获得了极大的发展. Pendry等[6]于1999年首次提出金属开口谐振环(SRR)可以在微波波段获得负磁导率，SRR由一对具有不同半径的同心相对金属环构成. 而后研究人员将SRR的结构蚀刻在金属面上得到了其对偶结构CSRR，它可以等效为并联LC谐振电路，并被与环平面垂直的电场激励产生谐振，且易于与微带电路集成. 由带状线进行馈电的缝隙阵列天线由Barnett等[7]提出，但目前文献并没有提出基于带状线和CSRR缝隙结构的全向天线.

本文提出的天线基于悬置微带线结构，通过在两侧金属接地板上蚀刻一系列CSRR缝隙单元作为辐射器，相邻CSRR缝隙开口朝向相反. 天线采用SMA接头直接从带状线一端进行馈电. 通过扫参分析，该天线在工作频率5.8 GHz处获得了良好的水平全向辐射性能，工作频带内实现了高增益以及较小的增益变化，且能够对辐射倾斜角进行调节，较好地满足了理想全向天线的要求.

1 天线设计及工作原理

1.1 CSRR结构设计

CSRR由一对开口方向相反的介质狭缝组成，其单元结构和等效电路如图1所示，图1(a)中浅灰色表示金属接地板，深灰色的环形缝隙表示在金属接地板上蚀刻的SRR. 根据对偶原理[8]，CSRR可以等效为一个LC谐振电路，如图1(b)所示. 其基本频率为

(1)

式中：fCSRR为CSRR的基本谐振频率；εr为介质基板的相对介电常数；r1为外环谐振器的半径；r2为内环谐振器的半径；d为内外环间距.图 1(b)中，L1和C0为CSRR本身的等效电感和电容，L1=L2.根据文献[9，10]，首先得到SRR等效电路中L01、C01、C02的值，然后利用对偶原理得到CSRR等效电路中C0、L1、L2的值.C01和C02为整个环路的等效电容，C01+C02=2πr0Cpul，Cpul为环之间的单位长度电容.r0=(r1+r2)/2为环的平均半径[11].L01可由下式计算得出

(2)

C0和L1∥L2分别由如下公式计算得出

(3)

(4)

r1=r2+d+c1.

(5)

由上述公式可以看出，CSRR的谐振频率主要由外环半径r1及环宽c1决定，其余参数的值可由式(5)计算得出. 通过计算并进行扫参分析，最终得出CSRR各参数如表1 所示.

图 1 CSRR单元结构及CSRR等效电路图

表1 CSRR参数

(a) r1对|S11|参数的影响

(b) c1对|S11|参数的影响

(c) s1对|S11|参数的影响

如图 2(a) 所示，在其它参数不变的情况下，发现随着外环半径r1的增大，环缝变长，导致CSRR等效电路中的C0变大，谐振频率向低频移动. 当r1=8.47 mm时，在5.8 GHz附近的传输性能最佳.

如图 2(b) 所示，在其它参数不变的情况下，随着环宽c1的减小，CSRR等效电路中的L1∥L2变大，谐振频率很明显地向低频移动，天线的带宽性能逐渐恶化.当c1=1.6 mm时，天线的工作带宽最宽且传输性能最佳.

如图 2(c) 所示，在其它参数不变的情况下，随着开口间距s1的增大，环缝长度相对减小，导致等效电路中的C0减小，谐振频率向高频移动，但是对天线的带宽及传输性能几乎没有影响.

1.2 悬置微带线设计

如图 3 所示，所提出的天线由宽度为Wc=1.4 mm 的中心导带和两个接地面组成. 中心导带嵌入到相对介电常数εr=2.65、损耗正切角 tanδ=0.003和厚度h=2 mm的介质基板中，基板两侧为金属接地平面以构成悬置微带线. 在微带线的一端AA′通过同轴直接馈电，AA′与第1个 CSRR缝隙之间的距离Lf设置为20 mm，微带线的另一端BB′及所有的侧壁均开放. 每个金属接地平面上都蚀刻有8个等间距的圆形CSRR缝隙. 其他3个结构参数对天线的性能影响很大，分别为CSRR缝隙之间的距离Dl，微带线上边距与CSRR缝隙之间的距离Dt，微带线水平边距与CSRR缝隙之间的距离Dr. 微带线在 5.8 GHz 下的工作波长约为31.8 mm，可由下式计算得出

(6)

式中：λ0为自由空间波长;c为自由空间中的光速. 经过CST仿真优化，最终确定Dl=30.9 mm(0.97λ)，Dt=14.4 mm(0.45λ)，Dr=1.6 mm(0.05λ).

图 3 天线的结构

1.3 工作原理

图 4 为在工作频率下天线的瞬时表面电流分布. 从图中可以看出，电流从同轴馈电端流入，沿着带状线流动并逐渐衰减. CSRR缝隙被与环平面垂直的电场激励产生谐振，电磁能量从带状线逐渐耦合并从CSRR缝隙辐射，这导致了电流的衰减. 通过将缝隙互相之间旋转180°，天线的电流分布更加均匀，从而产生良好的全向性. 对于CSRR 缝隙，电流在内环充当传输线，其对远场辐射的贡献很小，而在外环的电流密度大，因此可充当辐射器. CSRR缝隙在垂直平面中等距共线排列，使得它们可以很好得相互作用，并在水平平面中产生具有高增益的全向远场辐射.

图 4 5.8 GHz处的表面电流

2 仿真结果分析

图 5 为天线仿真的|S11|曲线，从图中可以看出，在5.8 GHz的工作频率下，|S11|为-14.8 dB，有较好的匹配，测得的|S11|<-10 dB，带宽为4.8% (5.69 GHz～5.97 GHz).

图 5 仿真|S11| 曲线

图 6 为天线在工作频率5.8 GHz处的归一化辐射方向图，由图可知，本文所设计的天线具有非常好的全向辐射性能，天线的最大增益达到了9.63 dBi. 主瓣完全在水平面内，即该天线的辐射倾角可以精确调整. 天线在E面的波束宽度为10.8°，在H面和E面的旁瓣比主瓣低11.5 dB，天线以线性极化辐射，交叉极化水平低于-18 dB.

天线的性能可能会随着频率的变化而变化，本天线采用串联馈电结构，偏离谐振频率太多可能会使CSRR辐射器失去相位同步，从而导致全向性能的恶化. 图 7～图 9 分别为天线在不同频率下的增益、主瓣倾斜角和水平面内的最大增益变化的仿真结果. 在天线的|S11|<-10 dB的阻抗带宽(5.69 GHz～5.97 GHz)内，天线的增益从8.70 dBi变化到9.86 dBi，主瓣的倾斜角在85°～98°的范围内(相应的倾斜角范围为-5°～8°)，水平面内的最大增益变化在0.5 dB内. 仿真结果表明，所提出的天线在工作频带内能够保持稳定的全向辐射性能.

(a) H面

(b) E面

图 7 不同频率下天线的增益曲线

图 8 不同频率下天线的主瓣倾斜角

图 9 在水平面内天线的最大增益变化

3 结 语

本文设计了一种基于CSRR的新型全向平面缝隙阵列天线，它采用简单的带状线结构，通过在金属地面蚀刻开口朝向相反的CSRR结构实现了良好的全向辐射特性. 天线通过50 Ω的同轴线直接馈电，通过仿真建模并进行扫参分析，在5.8 GHz的工作频率下，天线的阻抗带宽(|S11|<-10 dB)为4.8%(5.69 GHz～5.97 GHz)，最大增益达到9.63 dBi，且增益变化小于0.5 dB，辐射倾斜角可精确调整，并能在带宽范围内保持稳定的全向性能. 因此，该天线能够很好地适用于无线通信系统.