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互补三角形开口谐振环对微带贴片天线的影响

摘要

在本文中，提出了一种新的互补三角形开口谐振环（CTSRR），并针对WLAN应用在2.44 GHz上研究了CTSRR对常规贴片天线的影响。本文中，对CTSRR的电磁行为及其等效电路进行了探究与说明。与常规贴片天线相比，本文中演示的理论方法产生了有意义的改进。本文通过CTSRR结构的不同取向模式完成参数研究。最终结果表明，随着贴片上CTSRR的增加，天线性能提高，但谐振频率向较低频率区域转移。

关键字—互补三角形开口谐振环（CTSRR）；增益；方向性；微带贴片天线（MPA）；无线局域网（WLAN）

I.绪论

在现代社会中，无线局域网（WLAN）在生活中的应用存在巨大的价值与进步的空间。为WLAN中最近增加的需求提供优质的服务通常是用于天线和通信设备的核心水平问题。WLAN用于笔记本电脑，手机，路由器等日常生活中的应用。为了满足日益增长的需求，WLAN应用中使用的天线是值得注意的因素。关于性能，小型化的低成本馈电网络在天线设计方面也是非常重要的。因此，紧凑，低成本，易于制造的微带贴片天线（MPA）对于WLAN应用是关键技术所在，这些广泛应用于过去十年的书籍和论文[1] - [3]。

标准微带贴片天线具有非常低的增益，低效率，低功率处理能力，窄带宽，简单，并且使用现代印刷电路技术制造便宜[1]。考虑到所需的应用，许多研究人员已经修改了参数和修改的几何形状，以便产生更好的贴片天线性能。这些改进涵盖几种形状的天线，添加特殊结构，以及将RF组件或集成电路连接到贴片天线[2]中。

现在的开口谐振环（SRR）多用于产生影响施加电磁场的所需磁响应。SRR研究人员及其潜在应用研究了几项理论和实验研究[4]，[5]。有许多类型的开口谐振环设计，如边缘耦合SRR（EC-SRR）[6]，宽边对 SRR（BC-SRR）[7]，非双向各向异性SRR（NB-SRR）[8]等。然而，基于谐振器的贴片天线与常规基板有很少的关系。因此，对谐振器的正确背景了解以及对常规MPA的可能影响是必不可少的。在这项工作中，已经提出了一种互补的三角形开口谐振环（CTSRR）结构，常规插入馈电贴片天线，并且从各种观察平台分析了CTSRR对常规MPA的影响。

II.CTSRR几何视图

互补三角形开口谐振环的单个单元的几何图如图1所示。CTSRR结构的外部和内部长度分别为Lout = 4.25mm，Lin = 3.25mm。谐振器间隙的尺寸Ws = 0.98mm，三角形Tr的厚度为1mm。两个TSRR之间的距离为0.66 mm，每个尺寸与CTSRR结构的单个单位相似。

图1 CTSRR结构俯视图

对于给定的谐振频率（fr），介电常数（εr），我们常规插入馈电矩形微带贴片天线（RMPA）的贴片宽度（W）和长度（L）的设计方程式[9]：

(1)

其中，c =光的自由空间速度，=基板的介电常数，=谐振频率。该宽度W等于大约一半的波长。它拥有良好的辐射效率并且在尺寸范围上属于可接受。

为了考虑线的边缘和波传播[10]，必须获得有效介电常数（）。

(2)

。因此，谐振条件是，取决于而不是L。

有效贴片的长度为：

(3)

等式（3）表明长度Delta;L的延伸是和之比的函数。

为了计算有效长度，已经将长度L加到长度Delta;L的延伸部分:

（4）

给出了地平面的长度和宽度如下：

（5）

（6）

其中h为基板高度。

考虑到给定介电常数的表面波和杂散辐射最小化，选择基板高度h：

（7）

在计算所有数据之后，贴片宽度和长度的优化值（= 2.2，衬底高度h = 1.5mm）为W = 49.4mm，L = 40mm。对于阻抗匹配，所有情况都使用50欧姆的边缘阻抗，CST微波工作室进行了仿真。

沿着贴片的宽度，由于在开口端，电压是至高的而电流是最小的，所以边缘处的场可以相对于接地平面[1]解析为法向和切向分量[1]。

III.等效电路模型：CTSRR几何

在图2（a）中，显示了CTSRR的几何图和其他尺寸。CTSRR的改进结构是新设计的带宽c，间距g1和g2分三部分之间。TSRR的等效电路模型如图2（b）所示，其作为由LC电路建模的谐振腔。电感是由于CTSRR的两半之间的间隙，电容是由于环本身的间隙引起的。三角形的分割纯铜部分分别提供总电感L和Cg1，Cg2分别是由于上部和底部中的三角形分裂引起的间隙电容。这里，垂直于平面的磁场H允许（2）在环的开口产生间隙电容。

图2 （a）CTSRR几何视图 （b）CTSRR等效电路

CTSRRs的电磁特性已经在[11]和[12]中得到了分析。该分析表明，CTSRRs作为可以被外部磁通激发的LC谐振器，并且在它们的第一共振之上表现出强的反磁性。 CTSRR还具有交叉极化效应（磁电耦合）[12]，使得通过适当偏振的时变外部电场的激励也是可能的。这种共振行为是由于诸如间隙和分裂之类的电容元件，并且反过来导致（3）非常高的正和负值的磁导率接近于f0。因此，TSRR结构相对于电场的取向可能会影响谐振的力量。

CTSRR可以主要被认为是可以通过轴向磁场激发的共振磁偶极子[11]。在更严格的分析中，SRR [11]中的交叉极化效应，因此，该元件也将沿其y轴呈现共振磁极化（参见图2（a）），因此其主谐振也可以通过沿着该方向施加的外部磁场激发[13]。这些特征不影响元件的内在电路模型，尽管它们可能影响其激励模型。

IV.互补三角形SRR天线的设计

该设计在CST Microwave Studio中使用市售的Roger RT / Duroid 5880材料作为介电常数= 2.2和介电损耗角正切delta;= 0.0002的基板进行模拟。基板的尺寸为50mm宽times;51mm长。接地平面印刷在相同尺寸的基板的背面。一个50Omega;的端口用于为散热器供电。

图3. （a）常规贴片天线的示意图 （b）CTSRR的顶视图

（c）具有CTSRR的天线 （d）具有双CTSRR的天线

表I 天线及提出的CTSRR的尺寸

一个50Omega;的端口用于为散热器供电。考虑到阻抗匹配，对所有天线的插入馈线长度（Lf）和馈线宽度（Wf）进行了调整。图3显示了具有不同结构的插入馈电贴片的几何顶视图。 尺寸参数如下表1所示。

V.结果与讨论

在比较研究中，对贴片天线设计中CTSRR结构的分析，贴片CTSRR数量的增加以及CTSRR结构的各种取向进行了研究。关键性能分析结果已进行研究。

回波损耗（RL）是天线输入端的反射波和发射波之间的比值。在阻抗匹配网络中，较好的RL对于较低的插入损耗，表面波浪损耗和杂散辐射损耗是理想的。从表II中可以看出，在共振频率（fr），2.400GHz，常规贴片天线获得30.835dB的RL，分别为CTSRR和DCTSRR的2.422GHz和2.440GHz，分别为28.64dB和-33.39dB。具有各种结构的贴片天线的RL在图1中描述。由于包含CTSRR，由于MPA的影响，FR已经转移。已经针对带宽（BW）计算对该设计的-10dB线路的相交回路点进行了评估，并且所获得的所有三个天线的BW几乎相等。

表II 传统天线的仿真性能和天线的优化尺寸

对于WLAN天线设计，增益和方向性是需要考虑为端点用户实现良好信号强度的一些其他重要特性。对于常规天线增益，分别获得7.72dB和8.09dBi的方向性。这里，提出的谐振器结构在相对端包含分开的间隙，其存储电荷并影响Z方向上的辐射图。在共振频率（fr），2.400GHz，常规贴片天线获得30.835dB的RL，分别为CTSRR和DCTSRR的2.422GHz和2.440GHz，分别为28.64dB和-33.39dB。对于1CTSRR，增益和方向性分别为7.85 dB和8.15 dBi，对于2TSRR，增益和方向性分别为7.75 dB和8.11 dBi。

辐射图是从天线发送或接收的相对场强的图形表示，可以说天线辐射或接收的功率是天线的角位置和径向分布的函数。在图5中，提出了天线的辐射图。方向性提高了0.02dBi，天线辐射效率从91.76％提高到94.49％。

从上述分析，我们发现更好的RL，双重CTSRR的优化增益和方向性。因此，常规贴片天线的CTSRR取向和CTSRR单元的增量可能会有一定的影响。

图4 常规贴片天线，TSRR及提出的DTSRR的回波损耗

图5 常规贴片天线与CTSRR天线的远场方向性系数

图6双TSRR模式A，B，C，D，E，F，G，H，I和J的取向

表III 不同DETSRR模式的贴片天线的回波损耗

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