单个互补金属开口谐振环双陷波超宽带天线

孙荣辉，高卫东，刘 汉，李 乐，沈 旭

（解放军电子工程学院，安徽 合肥 230037）

0 引言

自从美国联邦通信委员会（Federal Communications Co mmission，FCC）于2002年将3.1～10.6 GHz频段划归为超宽带（Ultra-wideband，U WB）的民用频段后［1］，超宽带通信系统的设计和应用成为无线通信领域激烈竞争焦点。作为超宽带通信系统的重要组成部分，新型超宽带天线设计成为近年来研究的热点［2］。但考虑到超宽带通信系统的工作频段内还存在诸如IEEE802.11a无线局域网（WLAN，5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz）、IEEE802.16全球微波互联网络（Wi MAX，3.4～3.6 GHz）和 C波段卫星通信系统（3.7～4.2 GHz）等其他通信系统，为了抑制超宽带天线与窄带信号间潜在的干扰，一种简单而有效的方法就是使超宽带天线在潜在干扰频段内具有陷波功能。因此，具有陷波功能的超宽带天线已经成为近年来的一个热门研究课题［3－5］。

基于以上研究背景，可利用互补金属开口谐振环（Co mplementary split-ring resonator，CSRR）［6］的阻带特性在超宽带天线的潜在干扰频段内产生陷波。经研究发现已经有学者［7－8］在这方面做了一些工作，但是文献［7－8］中单个互补金属开口谐振环只能实现单陷波功能，要想增加陷波频段，只能通过增加互补金属开口谐振环个数的方法来实现，这就增加了设计的复杂度。本文提出了一种单个互补金属开口谐振环的双陷波超宽带天线，并通过实验证明了该方法的正确性。

1 金属开口谐振环

金属开口谐振环（Split-ring resonator，SRR）［9］由英国科学家Pendry等人在研究左手材料的过程中首次提出，SRR是由一对开口方向相反的同心金属环组成，CSRR是其互补结构，由一对开口方向相反的介质缝隙组成，即通过在金属介质上刻蚀SRR得到，图1为SRR和CSRR的结构示意图。CSRR具有很好的品质因数，单个CSRR即可在其谐振频率附近产生陡峭的阻带，具有结构简单、尺寸容易控制的优点。

图1 SRR和CSRR的结构示意图Fig.1 Schematic representation of SRR and CSRR

文献［7］中，作者通过在天线的辐射贴片上刻蚀单个CSRR的方法，实现了在WLAN频段内的陷波功能，但该天线只具有单陷波功能；在文献［8］中，作者进一步研究了CSRR阻带特性，通过引入两个CSRR的方法，使得天线在3.65 GHz和5.75 GHz具有双陷波功能，但所需考虑的结构参数较多，增加了设计的复杂性，且两者本质上是一致的，即单个CSRR只能实现单陷波功能。本人通过研究和实验发现，单个CSRR也能实现双陷波功能，并设计了一种单个互补金属开口谐振环的双陷波超宽带天线。

2 单个互补金属开口谐振环双陷波超宽带天线

本文以一种燕尾形平面超宽带天线为载体，通过在其辐射贴片上加入单个CSRR结构，设计了一种单个互补金属开口谐振环的双陷波超宽带天线。所谓燕尾形［10－13］，顾名思义，实际上是在一个矩形上裁剪出一个半（椭）圆，然后将裁出的半（椭）圆移至被裁矩形的下方，并与之合并而生成的一种新的形状。燕尾形的主要特点是：在与矩形面积相同的情况下具有（椭）圆形渐变性结构。采用渐变性结构使得天线可以从一个频率谐振模式平缓地过渡到另一个频率谐振模式，确保了天线在较宽的频带范围内获得良好的阻抗匹配特性［14］。本文将天线的辐射贴片设计为圆形渐变性结构，保证了它在较宽的频段范围内具有良好的阻抗匹配特性。仿真结果表明：此种采用圆形渐变性结构的燕尾形超宽带天线在2～14 GHz的频段范围内满足电压驻波比小于2的条件，符合美国联邦通信委员会对超宽带通信系统规定的设计要求［1］。

图2是本文所设计的单个互补金属开口谐振环双陷波超宽带天线的结构示意图，具体尺寸参数如表1所示。该天线制作在相对介电常数εr＝2.65、厚度H＝1 mm、损耗正切tanδ＝0.02的聚四氟乙烯基板上，基板尺寸为40.9 mm×34 mm。天线末端焊接SMA接头，并连接同轴电缆进行馈电。

图2 单个互补金属开口谐振环双陷波超宽带天线的结构示意图Fig.2 The schematic diagram of dual band-notched UWB antenna with one CSRR

表1 天线结构中的尺寸参数Tab.1 The parameters size in the proposed antenna str uct ure／mm mm

为了实现该燕尾形超宽带天线的双陷波特性，文献［6—7］的方法需在其辐射贴片上加入两个CSRR结构，本文设计的是一种单个互补金属开口谐振环双陷波超宽带天线。利用电磁仿真软件HFSS 10.0对天线进行仿真计算，得到陷波前后该天线的回波损耗对比如图3所示。通过对加入CSRR结构前后天线回波损耗的对比可以发现，CSRR结构的引入使得该天线在3.4 GHz和5.75 GHz两个频段内具有明显的双陷波特性。

图3 燕尾形超宽带天线陷波前后的回波损耗比较Fig.3 Return loss comparison of the swallow-tailed shaped UWB antenna with and without CSRR

3 仿真分析和实验验证

3.1 天线陷波特性的原理分析

为了验证陷波特性的存在，采用电磁场仿真软件HFSS 10.0对天线表面电流密度进行计算，选取陷波频段和通带内的频率点，观察其电流密度变化。以3.45 GHz（驻波）和9 GHz（行波）为例，仿真结果如图4所示。

可以看出，在3.4 GHz频率处，天线的表面电流密度集中在CSRR开槽附近，并呈现驻波状态；在9 GHz频率处，天线表面电流密度分布在馈线和辐射贴片周围，呈现行波状态。驻波状态时CSRR附近电流方向相反，天线不能正常辐射。

图4 天线工作在行波和驻波状态时的电流密度Fig.4 Surface current density of the pr oposed antenna wor king in travelling and standing wave conditions

图5 为端口位置不同频率点的阻抗曲线。从图中可以看出，天线在3.4 GHz左右，端口处的电阻值和电抗值都近似为零，可以认为天线回路中发生串联谐振，电路呈现短路状态；在5.75 GHz左右，天线端口处的电阻值和电抗值达到最大值，此时回路发生并联谐振，电路呈现开路状态。由此可以得到图6所示陷波频率处的等效电路［13］。

图5 天线不同频率点的阻抗曲线Fig.5 Impedance bight of the pr oposed antenna in different frequencies

图6 陷波特性的谐振电路分析Fig.6 Resonator circuit analysis of the band-notched characteristic

从图6的等效谐振电路中可以看出，当天线工作在陷波频段以外的通频带内时，能够向外辐射能量，可以正常工作。当天线工作在3.4 GHz时发生并联谐振，工作在5.75 GHz时发生串联谐振，电磁能量分别存储在两个枝节中，不能正常辐射，即具有陷波特性。

3.2 实验验证

基于图2所示燕尾形超宽带天线的结构示意图以及表1中该天线结构中的具体尺寸参数，本文对所设计的引入CSRR结构后的双陷波超宽带天线进行了实际加工制作，天线整体尺寸为40.9 mm×34 mm×1 mm，介质基板选用聚四氟乙烯材料，介电常数εr＝2.65、损耗正切tanδ＝0.02，图7所示为加工的实物照片。利用Agilent N5230 A矢量网络分析仪对天线的电压驻波比进行了测量，实测结果与仿真结果的对比如图8所示。

图7 单个互补金属开口谐振环双陷波超宽带天线的实物照片Fig.7 The photograph of fabricated dual band-notched UWB antenna with one CSRR

图8 天线的电压驻波比的仿真结果与实测结果对比Fig.8 Co mparison of si mulated and measured VSWR of t he proposed antenna

图8 表明，天线在3.4 GHz和5.75 GHz处形成两个陷波频段，频段范围包含了3.3～3.6 GHz和5.15～5.8 GHz，能够有效抑制 Wi MAX和WLAN系统的干扰，达到了设计要求。仿真结果和测试结果基本吻合，只是在高频段存在偏差，作者分析两者存在的误差主要是由SMA同轴接头的焊接和天线尺寸的加工误差等因素造成的。

超宽带天线的工作频带很宽，其各项性能指标是与频率有关的函数，在整个频段内无法保持恒定。所以，只采用阻抗带宽来描述超宽带天线的特性是不够的，还必须考察天线是否具有稳定的方向图。选取3个频率点对天线远场进行仿真，得到归一化方向图，如图9所示。在3 GHz、7 GHz和9 GHz处对天线远场进行计算，从图9中可以看出，天线E面 （y-z）方向图与偶极子天线类似，H面（x-z）方向图近似为等幅全向。虽然主瓣略有偏差，但远场方向图基本一致，满足超宽带天线整体带宽内辐射一致性的要求。

图9 天线的E面和H面归一化辐射方向图Fig.9 Radiation patterns of the proposed antenna on E-plane and H-plane at 3、7 and 9 GHz

超宽带天线加入CSRR结构陷波前后的增益曲线如图10所示。可以看出，工作频段内的增益比陷波频段的增益高4 d B以上，天线在整个工作频段内具有较好的增益特性。在陷波频段处增益显著下降，天线几乎不工作，表明天线具有明显的陷波特性，达到了在中心频率3.4 GHz和5.75 GHz两个频段干扰抑制的效果。

4 结论

本文提出了一种单个互补金属开口谐振环的双陷波超宽带天线。通过在天线的燕尾形辐射贴片上加入单个CSRR结构，分别在3.3～3.6 GHz和5.15～5.8 GHz两个频段处产生陷波。实验结果表明，通过在天线的辐射贴片上刻蚀单个CSRR结构即可实现其双陷波功能。与相关文献相比，该方法更加简单易行。该天线体积小、重量轻、易于加工，在超宽带通信系统中具有很强的实用价值。

［1］Federal Communications Commissions.First Report and Order in the matter of Revision of Part 15 of the Commission＇s Rules Regar ding Ultra-wideband Trans mission Systems［R］.USA：FCC，2002.

［2］徐海洋，张厚，王剑.一种平面开槽超宽带天线的设计与研究［J］.探测与控制学报，2008，30（4）：40-43.XU Haiyang，ZHANG Hou，WANG Jian.Design and analysis of a ultra-wideband planar notched antenna［J］.Jour nal of Detection ＆ Control，2008，30（4）：40-43.

［3］Tao J，Cheng C H，Zhu H B.Compact dual-band slot antenna for WLAN applications［J］.Microwave and Optical Technology Letter，2007，49（5）：1 203-1 204.

［4］Lee H J，Jang Y H，Choi J H.Design of an UWB antenna with band-rejection characteristic［C］／／Progress in Electro magnetics Research Sy mposiu m.Czech Republic：2007：155-157.

［5］刘起坤，邢锋，张广求.一种新型双陷波超宽带天线设计［J］.微波学报，2011，27（1）：40-43.LIU Qikun，XING Feng，ZHANG uangqiu.Design of novel planar ultra-wideband antenna with dual band-notched characteristics［J］.Journal of Microwaves，2011，27（1）：40-43.

［6］Falcone F，Lopetegi T，Baena J D，et al.Effective negativeεstop-band microstrip lines based on complementary split-ring resonators［J］.IEEE Microwave Wireless Co mpon Lett，2004，14（6）：280-282.

［7］Ki m J，Cho C S，and Lee J W.5.2 GHz notched ultrawideband antenna using slot-type SRR［J］.Electron Lett，2006，42（6）：315-316.

［8］Ding J，Lin Z，and Ying Z.A co mpact ultra-wideband slot antenna with multiple notch frequency bands［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2007，49（12）：3 056-3 060.

［9］Pendry J B，Holden A J，Robbins D J，et al.Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena［J］.IEEE Trans Microw Theory Tech，1999，47（11）：2 075-2 084.

［10］Zhou Haijin，Liu Qizhong，Li Jianfeng，et al.A swallowtailed wideband planar monopole antenna with semi-elliptical base［J］.Jour nals of Electro magnetic Waves and Application，2007，21（9）：1 257-1 264.

［11］Zhou Haijin，Liu Qizhong，Sun Baohua，et al.A bandnotched swallow-tailed planar monopole antenna f or UWB application［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50（3）：793-795.

［12］Zhou Haijin，Liu Qizhong，Yin Yingzeng，et al.St udy of the band-notch f unction for swallow-tailed planar monopole antennas［J］.Progress In Electromagnetic Research，2007，77（1）：55-65.

［13］周海进，孙保华，李建峰，等.具有双陷波特性的超宽带天线设计与研究［J］.微波学报，2009，25（3）：13-17.ZHOU Haijin，SUN Baohua，LI Jianfeng.Design and analysis of a planar ultra-wideband antenna with dual band-notched characteristics［J］.Jour nal of Microwves，2009，25（3）：13-17.

［14］Chu Qingxin，Yang Yingying.A co mpact ultra-wideband antenna with 3.4／5.5 GHz dual band-notched characteristics［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2008，56（12）：3 637-3 644.