三频超材料天线基于紧凑型CRLH激励缺陷接地谐振器的分析与设计

工程科学与技术，国际期刊23（2020）114完整文章三频天线用紧凑型CRLH激励缺陷接地谐振器的分析与设计马哈茂德·A作者：Abdallaa， Walaa W.阿卜杜勒·梅吉德·瓦赫巴阿拉姆湾a埃及开罗军事技术学院电子工程系EMW小组b信息学院传播系工程和技术，埃及开罗德国大学阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年6月4日收到2019年4月14日修订2019年4月23日接受在线发售2019年关键词：天线超材料CSRR负折射率多波段天线A B S T R A C T在这项工作中，三个波段的负折射率超材料天线采用一种新的配置的互补开口环谐振器。该天线的设计工作在2.4 GHz、2.9 GHz和4.38 GHz。在微带贴片的接地面上刻蚀出互补开口环谐振器，并采用与文献中提出的传统互补开口环谐振器相比，该结构该天线的贴片尺寸为28× 28mm2。相比与传统的单波段微带贴片辐射器尺寸相比，其尺寸最小工作频率该天线在三个工作频率下的反射系数均小于-10dB。该天线在3.28dB、-4.5dB和2.5dB三个工作频率处具有合理的增益。在2.4 GHz、2.9 GHz和4.38 GHz时分别为-3.1dB此外，在这些频率下的天线效率分别为57.6%、6.3%©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍近十年来，负折射率（NRI）超材料已成为电磁学研究的一个重要领域[1，2]。NRI超材料因其同时的电容率、磁导率以及折射率而闻名。NRI异向介质在射频/微波电路应用中具有特殊的电磁波特性。研究人员利用这些特性设计了具有新功能和更小尺寸的微波器件和天线，与另一种可能的技术相比[3基于裂环谐振器（SRR）在被正常磁场激励时的负磁导率，已使用SRR的周期性阵列来实现微带NRI传输线（TL）以及垂直 线 [10] 。 在 2004 年 ， SRR 的 对 偶 被 称 为 互 补 开 口 环 谐 振 器（CSRR），已被建议用于NRI-TL的平面微带配置以及串联气隙电容器[11]。从那时起，在微波元件[12*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： maaabdalla@ieee.org （ 硕 士 ） Abdalla ） ，abdelmegid.allam@guc. edu.eg（A.A. Allam）。由Karabuk大学负责进行同行审查在微带地线上刻蚀缺陷地结构（DGS）等效于在TL的串联支路上连接一个并联谐振储能电路。因此，它可以用作带阻滤波器。因此，DGS结构主要用于带阻滤波和天线应用。[23从另一个角度来看，CSRR粒子是一种小尺寸的微带结构的缺陷接地结构（DGS）。换句话说，可以根据有效负介电常数来理解DGS操作。在大多数研究的情况下，CSRR已实现使用两个环，以允许谐振发生在微波频率与小尺寸。本文提出了一种小尺寸单环CSRR粒子的新构型与具有相同功能的常规单环/双环CSRR相比，该结构更小最后，对一种具有全向宽边辐射特性的多频段超材料天线进行了分析、仿真和测量。通过我们的工作，商业软件AnsysElectronicDesk- top（HFSS）的三维全波模拟。2. 小型化单环CSRR NRI-TL2.1. 小型化单环CSRR谐振腔CSRRs在轴向电场激励下表现出负介电常数。因此，超材料有效https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.04.0092215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchM.A. Abdalla等人 /工程科学与技术，国际期刊23（2020）114-122115Fig. 1. 蚀刻之前的双分裂SRR的示意图（a）常规配置（b）分裂中具有中间数字的修改配置。满足中等标准具有两个间隙的单细胞CSRR颗粒结构如图所示。 1（a）. 另一方面，修饰的细胞显示在图1中。 1（b）. 在传统的细胞中的两个差距通过在地中蚀刻该单元，这些指状物充当额外电流路径长度的平均线。因此，修改的目的是以较小的物理长度实现较高的电长度因此，这可以降低谐振频率，不需要增加CSRR颗粒的物理尺寸。因此，它可以具有有效的介质特性。通过在微带线下的接地中刻蚀改性CSRR颗粒，可以显示几何等效电路如图2（a）所示。它被建模为四分之一波长短路槽线短截线串联连接的微带传输线。该短路短截线相当于图2（b）所示的并联储能电路。因此，串联槽并联谐振电路，图二、单电池CSRR DGS粒子加载微带传输线的等效电路（a）几何等效电路，（b）槽路元件等效电路，（c）变换槽路元件等效电路，（d）负介电常数等效电路。116个硕士学位Abdalla等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）114图3.第三章。（a）采用传统的单单元，（b）在（a）中模拟了Lc= 20 mm和40 mm时的TL散射参数大小，（c）采用小型化的分裂式CSRR，（d）在（c）中模拟了Lc= 20 mm时的TL散射参数大小如图2（c）所示，并联谐振电路可以变换为并联串联谐振电路。在谐振回路的谐振频率以上，它相当于图2（d）所示的感性负载。这与CSRR负介电常数介质的等效电路相同。最后，我们可以断言单环CSRR粒子是等效于具有阻带滤波器特性和有效负介电常数的DGS结构。详细分析了单电池CSRR的几何尺寸对共振频率见参考文献[28]。分析表明，谐振频率与每个图四、一条传输线负载有串联气隙电容和CSRR在地面（a）单位细胞TL的几何形状，（b）模拟散射参数的大小。M.A. Abdalla等人 /工程科学与技术，国际期刊23（2020）114-122117开口间隙（P）与环长（L）成正比。因此，为了减小带阻频带，我们或者减小分裂间隙或者增加单元长度。这种折衷将限制单个电池的优势。图3（a）中示出了加载有蚀刻在地面中的常规双分裂单单元CSRR颗粒的50X微带TL的2D布局。计算了C = P = 4 mm和不同池长（Lc= 20mm）时和40 mm），如图所示。 3（b）款。在两个图中，加载的TL充当带阻滤波器。当 Lc= 40 mm 时，带阻带宽从0.93 GHz 扩展到 2.65GHz，而当Lc = 20 mm时，带阻带宽内移到2.07 GHz。另一方面，在图1中示出了具有蚀刻在地面中的修改的双分裂单细胞CSRR颗粒的50 X TL的2D布局。 3（c）. 为了比较功能，两个细胞中的分裂距离保持相同（C = P = 4mm），而细胞长度为（Lc= 20mm），并且其交叉积水图五、一条传输线负载有串联气隙电容和CSRR在地面（a）有效实介电常数，（b）有效实磁导率，（c）折射率-0¼：CL LL0频率：9GHzXRCL LLRXCL LL118硕士Abdalla等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）114模拟的散射参数幅度如图所示。 3（d）。在图中，TL充当带宽从1.25 GHz延伸到3.86 GHz的带阻滤波器。这些滤波特性可以声称，由于所采用的CSRR的有效负介电常数的效果。此外，可以观察到，在200nm处的经修改的CSRR单元（具有Lc = 20mm）的响应比在200nm处的经修改的CSRR单元的响应小。图 3（d）是接近这一传统的一个（与Lc = 40毫米）在图。 3（b）款。因此，可以声称所建议的修饰可以将单细胞CSRR降低约50%。2.2. NRI-TL装载小型化单细胞CSRR分析的下一步是利用负介电常数CSRR DGS粒子的NRI通带传播的可能成就这是通过增加一个系列间隙电容器，沿电流路径沿上50O TL如图所示。 4（a）. 模拟的散射参数的大小，这个TL显示在图。4（b）. 通过比较这些结果，图 3（d），我们可以观察到：（1）低通带在3. 一种基于T型单小区NRI-TL的3.1. 天线设计和结果图6中示出了采用NRI-TL的多频带天线的框图。如图所示，在工作频率下，设计中需要半波长的倍数。在我们的工作中，只有一个单元单元的小型化NRI CSRR/间隙电容器单元的天线设计。这种晶胞几何形状如图4（a）所示。值得注意的是，与图4（a）相比，气隙电容器宽度增加，以增强NRI通带的匹配条件因此，针对先前设计的CRLH小区的开路负载，在本节中设计了三频天线天线设计可以概括为以下步骤。首先，NRI TL单元被设计为在工作频率下具有50X的恒定这是匹配天线与50X馈电所必需的。这可以通过如下图3（d）中S21dB- 2 dB扩展到1 GHz，成为图4（b）中S21dB-(2)阻带中心在1.5GHz，S为21~ 25dB。 3（d）Z0¼sLLsLR50ð1Þ在图中用1.5 GHz的通带代替，S 212 dB。 4（b）.先前的结果已经证实，频带在超过亚波长条件的频率下实现，设计中的下一步是将所使用的NRI TL单元电池的电长度调整为在三个工作频率下等于180°这可以调整y设置是的。因此，我们可以声称，负折射率通带作为串联电容与负电容的组合效应而产生，/的。 f 2 4 GHz ¼ b l¼.p1无菌包装-x p无菌包装R无菌包装L无菌包装R无菌包装-180负磁导率和负介电常数的蚀刻CSRR具有办妥了一批多年想然而，在高于2.2GHz的频率下，这些/的。四分之一杯。p1-xpC0ð2Þ两种效应不占主导地位，结构应具有非同时负介电常数和磁导率。换句换句话说，图4（a）中的单位单元不再充当fre-TL。/0。 f <$4：4 GHz<$b l <$4.p1-xpCRLR公司简介频率高于2.2 GHz。对于该结构中负折射率标准的扩展验证，计算结构的相对介电常数、相对渗透率以及折射率[29]，并分别在图5（a）结果表明，在带宽范围内，本构参数和折射率均为负值，这是NRI超材料TL的主要特性由于所用方程的近似性，在感兴趣的频带的窄段中出现的与电磁模拟不一致的正值是可以其中b是CRLH细胞的增殖常数，l分别表示细胞的长度通过天线合成步骤，CSRR颗粒内的叉指电容器最初被计算为：在天线实现过程中，需要对所设计的单元尺寸进行进一步的参数分析和优化。进行选择以获得最佳匹配性能。最后，设计的天线布局如图所示。7.第一次会议。大小图六、单电池CSRR DGS粒子加载微带传输线的等效电路（a）几何等效电路，（b）槽路元件等效电路，（c）变换槽路元件等效电路，（d）负介电常数等效电路。CLCRX×-M.A. Abdalla等人 /工程科学与技术，国际期刊23（2020）114-122119图7.第一次会议。基于T形单CSRR单元的NRI天线的仿真布局，W = 28 mm，L = 28 mm。（a）顶平面，（b）底平面。图8.第八条。制作了基于T形单CSRR单元的NRI天线样机，W = 28 mm，L = 28 mm。（a）顶部平面，（b）底部平面。的NRI CSRR颗粒细胞是20 - 20毫米。制造的天线原型如图8所示。所使用的基板是FR4，其相对介电常数为4.4，其厚度为1.6 mm。通过对天线反射系数的仿真，验证了天线的谐振功能。T形天线的模拟和测量反射系数如图9所示。如图所示，该天线在2.4 GHz和2.9 GHz处具有两个清晰的共振，在这两个共振处，天线表现出良好的匹配，反射系数低于10 dB。还有，注意到在4.38GHz处实现了第三谐振。值得注意的是，由于制造和测量的不完善性，可以声称模拟和测量之间的微小偏移。3.2. 天线辐射特性为了解释天线辐射机制，在这两个频率下的电流分布在2.4 GHz和2.9 GHz，如图所示。图10和11分别用于顶视图和底视图。可以观察到，2.4GHz下的电流在幅度上几乎恒定，在中心单元（在顶部气隙电容器和底部CSRR DGS颗粒内）处具有最小值。这种均匀的电流可以确定该天线的零阶模式乐队另一方面，在2.9 GHz下，电流在中心处最大，在边缘处最小，这确认了第一模式。见图9。研究了基于T形单CSRR单元的NRI天线的反射系数。--120硕士Abdalla等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）114图10个。研究了2.4GHz时基于T形单CSRR单元的NRI天线贴片和地表面电流分布通过研究分别在图12（a）和（b）中描绘的2.4GHz和2.9GHz下的3D辐射图案来确认所提出的天线功能。结果表明，在2.4GHz和2.9GHz下，两种天线的方向图几乎都是全向的值得注意的是，第二波段的低增益可以解释为底部CSRR DGS粒子内的不均匀（最大/最小电流）的结果这一点可以通过强调天线增益和电流分布在第三谐振在4.38 GHz的确认，如图中所示。 13（a）-（c）。很明显，天线保持其全向方向图，增益= 3.1 dB。最后，为了证明所提出的天线的有效性，所提出的天线已被比较，最近的出版。三波段天线的理想工作。比较结果见表1。4. 结论介绍了一种基于单CSRR单元结构的小型化NRI-TLNRI TL单元格由所建议的小型化单环CSRR谐振器以及气隙电容器形成所提出的NRI-TL与传统的NRI-TL相比，在电池中可以具有高达50%的尺寸在此基础上，介绍了一种采用T型单小区NRI-TL构成的三频天线。该天线仅由一个T单元组成文中讨论了天线的设计、建模、电磁仿真和实际测试该天线可以引入多频段，图十一岁研究了2.9GHz时基于T形单CSRR单元的NRI天线贴片和地表面电流分布3M.A. Abdalla等人 /工程科学与技术，国际期刊23（2020）114-122121图12个。单电容CSRR DGS天线的3D增益辐射图，（a）在2.4 GHz，（c）在2.9 GHz。图13岁在4.38 GHz下，基于T形单CSRR单元的NRI天线，（a）3D增益辐射方向图，（b）贴片上的电流分布，（c）地面上的电流表1这项工作和最近公布的三频天线之间的比较参考中心频率（GHz）基板介电常数（er）平均天线增益（dBi）物理基板尺寸（长×宽×高（mm））电天线中频时的最大尺寸（以自由空间波长计）提交作品2.4 3.28 100× 100× 1.6 22%2.9 - 4.5 36.3%4.38 - 3.1 41%[30]2.473 4.4-2 15×40× 0.8 32.9%3.22 - 2.1 44.4%5.52 - 1.2 70.1%[31]1.74-4.25.7[32]2.53.35.3[33]2.35-3.254.95[34]2.142.825.15[35]2.253.44.45×--122硕士Abdalla等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）114低频时的全向辐射特性和高频时的不同宽边辐射天线尺寸为28 28 mm2，工作在2.4 GHz，2.9 GHz和4.38 GHz。该天线的尺寸比典型的微带贴片天线减小了30%。 天线增益为3.28 dB，4.5在2.4 GHz、2.9 GHz和4.38 GHz下，分别为3.1 dB和3.1 dB。引用[1] C. 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