摘 要:针对微带天线带宽较窄的问题,采用基于有限元法的HFSS软件,设计1种以双负材料为衬底的微带天线. 仿真计算其反射系数,并给出测试结果. 对仿真与测试结果进行比较分析表明,相对于同样尺寸以普通材料为衬底的微带天线,以双负材料为衬底的微带天线的带宽展宽约为50%,在中心频率的相对带宽也达到16.6%.
关键词:双负材料; 微带天线; 反射系数; 阻抗带宽; HFSS
中图分类号:TN820.1; O241.82; TP391.9
文献标志码: A
Performance improvement of microstrip antenna using double negative media
MA Fengjun, WAN Guobin, SHEN Jing, WANG Zhenyu
(School of Electronics & Info., Northwestern Polytechnical Univ., Xi’an 710072, China)
Abstract:With the narrow bandwidth of microstrip antenna, a microstrip antenna with the substrates of double negative media is designed by the software HFSS which is based on finite element method. Its reflection coefficient is simulated and the test results are given. The simulation results and the test results are compared and analyzed, and it is shown that the bandwidth increases 50% compared with the same size of the microstrip antenna with ordinary materials, and the relative bandwidth reaches 16.6% in the center frequency.
Key words:double negative media; microstrip antenna; reflection coefficient; impedance bandwidth; HFSS
0 引 言
21世纪以来,1种被称为“双负材料”的人工复合材料在固体物理､材料科学､光学以及应用电磁学领域受到愈来愈广泛的青睐,对其研究正呈现迅速发展之势.早在1968年,VESELAGO[1]首次指出,当ε与μ同时为负数时,Maxwell方程仍然成立,但电磁波将逆于波矢方向传播,并可表现出一些奇异的电磁特性,如逆普扑勒效应､逆湿涅尔折射效应及逆Cerenkov辐射效应等.可以想象,这样的介质如能够被发现或人工制造出来并付诸应用,必将对人类的科技和生活等诸多方面产生极大影响.
1996年,英国皇家学院PENDRY指出可利用金属导线阵列构造介电常数为负媒质,1999年又指出可用谐振环阵列构造磁导率为负的人工媒质.[2,3]2001年美国加州大学圣迭戈分校的SHELBY等[4]在Science杂志上发表文章,沿用PENDRY的方法,构造出介电常数与磁导率同时为负的人工媒质,并通过实验观察到微波频段的电磁波通过这种人工媒质与空气的交界面时发生的“负折射”现象.从此,这类人工媒质的研究成为国际电磁学界引人注目的前沿领域之一并引发热烈讨论.
微带天线在航空航天领域应用前景广阔,天线工程师和从事计算电磁学的研究者[5,6]已进行不同衬底材料对微带天线电磁特性影响的研究.
本文首先给出微带天线理论模型,采用基于有限元法的HFSS软件,仿真计算普通微带天线的反射系数.在此基础上,设计以双负材料为基质的微带天线,仿真计算双负微带天线的反射系数;并给出双负微带天线的测试结果,进行分析和比较,探索双负材料展宽微带天线阻抗带宽的可能.
1 双负微带天线的理论模型
1.1 微带天线内场分析
矩形微带贴片天线模型见图1.
微带天线由接地板､介质基片和导体贴片构成.其中,介质基片的厚度为h,导体贴片长度为a,宽度为b.根据腔模理论[7],当微带天线厚度h<<λ0时,贴片与接地板之间的场可以作以下假定:(1)电场只有Ez分量,磁场只有Hx和Hy分量,即这是对z向的TM型场;(2)内场不随z坐标变化;(3)四周边缘处电流无法向分量,即边缘处切向磁场为0,故空腔四周可视为磁壁.
其内场一般解的表达式为
1.2 微带天线的阻抗带宽
天线的阻抗带宽通常根据反射损失(或驻波比)来定义.当天线工作于TM mn 模时,作为1阶近似,可略去高阶模所形成的串联小电感,于是可以得到矩形微带天线的等效电路,见图2.
根据馈电端口的反射系数要求确定天线的阻抗带宽,将对应的Γ值带入式(9)和(10),即可求出上下限频率,从而确定微带天线的阻抗带宽.
1.3 双负微带天线设计
双负微带天线结构见图3和4.
采用基于金属谐振环/金属丝结构的双负材料.实现双负特性对入射电磁波的要求是:电场分量要与金属丝轴向平行,磁场分量要穿过谐振环,材料才能在该方向上呈现出双负特性.采用同轴线馈电,馈电点在x轴上变化,工作在TM 10 模,由式(2)可知Hx=0,从而保证磁场Hy穿过谐振环,而电场Ex平行于金属丝,满足双负材料对入射电磁波的要求.
2 数值结果分析
首先给出1组普通和双负微带天线的S 11 仿真曲线,见图5和6.
图5和6所用普通微带天线介质尺寸为16 mm×16 mm×3 mm,矩形贴片尺寸为8.45 mm× 5.6 mm ,介质基片的相对介电常数为2.4,同轴探针馈电点在x轴上.双负微带天线介质尺寸和矩形贴片尺寸与普通微带天线相同,介质基片材料为4×4单元的双负材料;相对介电常数为-2.4,同轴探针馈电点在x轴上.由图5和6可知,双负材料微带天线的反射系数模值在-10 dB以下带宽为 1.51 GHz ,而同样尺寸下普通材料微带天线带宽约为 0.96 GHz ,带宽展宽约50%.
为了验证上述双负微带天线设计的正确性,加工并测试双负微带天线.其介质尺寸为10 mm× 100 mm ×3 mm,矩形贴片尺寸为8.45 mm× 5.6 mm ,介质基片材料为36×40单元的双负材料;相对介电常数为-2.65,同轴探针馈电点在x轴上.其输入阻抗和S 11 测试曲线分别见图7和8.
由图7可知,双负背腔微带天线在谐振频率点上测试的阻抗特性比较理想,实部约60 Ω,虚部接近0,大致与同轴线特性阻抗(50 Ω)匹配.由图8可知,实测双负材料微带天线-10 dB以下带宽为 1.50 GHz(8.55~10.05 GHz),大致与仿真一致.与同样尺寸下普通材料微带天线-10 dB以下带宽相比,带宽展宽约50%,在中心频率的相对带宽也达到16.6%.
3 结束语
探索双负材料在改善微带天线阻抗带宽中的应用,设计1种以双负材料为基质的微带天线,加工并测试其性能,测试结果与仿真结果对比较吻合,验证双负微带天线设计理论的正确性.测试结果表明,双负微带天线S 11 <-10 dB的带宽明显优于同样尺寸下的普通天线,带宽展宽50%,在中心频率的相对带宽也达16.6%.同时,本文设计的双负微带天线尚未进行优化,优化后结果应更为理想,从而说明双负材料可以很好地改善微带天线的阻抗带宽.
参考文献:
[1] VESELAGO V G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ[J]. Soviet Phys, 1968, 10(4):509-514.
[2] PENDRY J B, HOLDEN A J, STEWART W J, et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures[J]. Phys Rev Letter, 1996, 76(25):4 773-4 776.
[3] PENDRY J B, HOLDEN A J, STEWART W J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1999, 47(11):2 075-2 084.
[4] SHELBY R A, SMITH D R, SCHULTZ S. Experimental verification of a negative index of refraction[J]. Science, 2001, 292(6):77-79.
[5] BILOTTI F, TOSCANO A, VEGNI L. FEM-BEM formulation for the analysis of cavity-backed patch antennas on chiral substrates[J]. IEEE Trans Antennas Propagat, 2003, 51(2):306-310.
[6] BILOTTI F, TOSCANO A, VEGNI L. Radiation and scattering features ofpatch antennas with bianisotropic substrates[J]. IEEE Trans Antennas Propagat, 2003, 51(3):449-456.
[7] 钟顺时. 微带天线理论与应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 1991:18-50.
(编辑 廖粤新)
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