一种基于SRR的双频微带准八木天线设计

魏 明，倪 涛

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

八木天线具有方向性强、增益较高的特点，并且结构简单、易于加工，因此一直受到广泛应用[1-2]。但传统的八木天线体积较大，限制了其在现代通信系统中的应用。随着微带天线技术的日益成熟，工艺技术的日益提高，微带准八木天线应运而生。微带准八木天线继承了八木天线的优点，能更好地实现单向辐射特性，且具有体积小、重量轻、易共形、实现宽频带等优点[3]。与传统的八木天线不同，微带准八木天线是印刷在一块单层微波介质板上，因此更易于与微波集成电路一体化设计。

1999年，Pendry 从理论上提出了一种能够产生磁响应的微结构单元——金属开口谐振环（Split Ring Resonator，SRR）来实现负的磁导率[4]。近二十余年来，SRR 与其配对结构互补开口谐振环（Complementary Split Ring Resonator，CSRR）一直被业内人士认为是电磁特异材料的典型结构单元。由于它们独特的电磁响应特性，在微波电路和天线领域得到了充分的关注和极其广泛地应用[4-5]。例如，A. Erentok 等人将SRR 用作人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor，AMC）加载到天线上，从而实现低剖面的特性[6]；C.-C. Lin 等人将SRR 用在超宽带（Ultra Wide Band，UWB）天线的陷波结构设计中[7]；M. Selvanayagam 等人采用SRR来设计匹配网络来改善天线的阻抗匹配，实现宽带特性[8]。然而，将SRR 结构应用在天线的设计时更多的关注点被放在小型化和高增益的特性上。且在八木天线的设计中，也鲜有将SRR 结构加入到天线的振子结构设计中的例子。在文献[9]中，D.O. Kim等人将SRR 结构作为八木天线的引向振子设计了双频八木天线。

1 天线结构

天线的上半部分为SRR 结构型的有源振子，下半部分为实现180°相位差的馈电巴伦，天线结构示意图如图1 所示。其采用的介质板为介电常数为9.8 的Rogers 板材。介质板背面敷铜，它既是接地面也是准八木天线的反射振子。在设计中，将八木天线的有源振子臂作为SRR 结构的一个边，并将振子臂间的空隙作为SRR 结构外环的开口。考虑到天线的尺寸，将SRR 结构的方形结构改为矩形结构。

根据微带准八木天线特性，将所设计天线的八木天线模式谐振频点定为4.2 GHz，以确定天线的初步尺寸。通过仿真，天线的主要尺寸如表1 所示。

表1 天线主要尺寸（单元：mm）

2 仿真结果与性能分析

2.1 阻抗特性

天线的反射系数随频率的变化曲线如图2 所示。由图2 可知，天线的工作频段分别为3.9 ～4.4 GHz和5.42 ～5.74 GHz（反射系数< -10 dB）。将SRR结构加入到有源振子结构中对八木天线模式没有较大影响，其中，低频工作频段由八木天线模式产生，高频工作频段由SRR 结构产生。

2.2 电流分布与原理分析

天线在4.3 GHz 和5.5 GHz 处的电流分布图如图3 所示。由图3（a）可以看出，天线的电流分布类似于微带准八木天线的电流分布。同时，反射板上出现了感应电流，充当八木天线的反射振子。而SRR 结构的内环此时充当引向振子的作用，使天线具有端射的特性，因而可知天线在低频段工作于八木天线模式。由图3（b）可知，天线的电流主要集中于SRR 结构内部开口处，从而使天线工作于SRR天线模式。因而，天线通过八木天线模式和SRR 天线模式实现在双频段上工作。

2.3 辐射特性

图4 给出了天线在4.3 GHz 和5.5 GHz 处的方向图。由图4（a）可知，天线在4.3 GHz 处沿着端射方向辐射，与传统的微带准八木天线相似，可进一步说明天线在4.3 GHz 工作于八木天线模式。由图4（b）可知，由于此时天线工作于SRR 天线模式，其端射性能没有低频时强，但可以满足总的辐射方向为端射方向的要求，此时天线可仍视为端射天线。因此，将SRR 结构加入到传统的微带准八木天线，使其成为有源振子的一部分，可以实现微带准八木天线的双频设计。

2.4 实物加工

通过对设计的基于SRR 双频微带准八木天线的整体仿真，进行了实物加工。实物图如图5 所示。

天线的反射系数实测与仿真对比如图6 所示。图6 中，天线的工作频段实测为3.85 GHz～4.45 GHz和5.3 GHz～5.6 GHz（反射系数<-10 dB），与仿真结果基本吻合。

3 结论

本文将传统的微带准八木天线与SRR 结构相结合，设计了一款分别工作于4.3 GHz 和5.5 GHz处的双频天线，且低频谐振由八木天线结构产生，而高频谐振由SRR 结构产生。由仿真结果可知，所设计天线在两个频点处均具有较好的端射特性，可以作为端射天线使用。