一種超寬帶異向介質共面波導饋天線

摘 要:基于裂縫諧振環的降頻技術，利用色散性穩定、頻帶寬、電尺寸小的異向介質結構，設計了一種加載異向介質的新型平面波導饋天線(CPW-fed antenna)，實現了天線的寬帶小型化。修正的PIFA傳輸線模型中，利用異向介質的諧振電路取代了傳統輻射貼片不連續性而引起的電容效應。仿真和實測數據表明，該天線-10 dB相對帶寬超過了80%，物理尺寸也縮減了近一倍，其諧振頻段3.5~8.3 GHz內得到全向的輻射方向圖。關鍵詞:異向介質; 共面波導饋天線; 超寬帶; 左手介質

中圖分類號:TN82-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0100-03

Ultra Wideband Metamaterial CPW-fed Antenna

SHI Shao-hong， LEI Zhen-ya， XIE Yong-jun， SHENG Qiong-nian， ZHANG Zhi-hua

(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology， Xidian University， Xi’an 710071， China)

Abstract:Based on the technique of reducing working frequency of split ring resonators (SRR)， and a left-handed medium structure with smooth dispersion， broadband property and small dimensions， a novel CPW-fed antenna loaded with a metamaterial is designed for the broadband and miniaturization. In the modified CPW-fed antenna transmission line model， the conventional capacitance which causes the capacitance effect by its discontinuity is replaced by the resonance circuit of the metamaterial. Both the simulated and measured results demonstrate that such metamaterial CPW-fed antenna exhibits a -10 dB return loss of more than 80% bandwidth， and also the physical dimensions have been reduced by nearly 50%. Nearly omnidirectional radiation pattern is achieved in the resonance oscillation frequency range of 3.5～8.3 GHz.Keywords: metamaterial; CPW-fed antenna; ultra wideband; left-handed medium

0 引 言

左手介質(Left-handed Medium)是20世紀90年代末期，繼Pendry等提出采用周期性排列的導線和開口諧振環結構SRR(Split Ring Resonator)可以在微波頻段內產生負的介電常數和磁導率[1]以后，一種新型周期結構的人工電磁介質。它可使在該介質中傳播的電磁波的電場E，磁場H以及波矢量k三者構成左手關系，故而得名。Veselago沉寂了近三十年的異向介質先驅理論再度成為科學界的研究熱點[2]。2001年，Smith等首次構造出這種自然界不存在的媒質以來[3]，由于它具有一些反常的電磁特性(包括左手特性、負折射特性和后向波特性等)而再度成為科學界的研究熱點。國內外成果表明，上述電磁特性具有廣泛的研究前景。

近年來，異向介質的應用早已滲透到了各類微波器件的設計和開發中。具體到天線方面，Wu等實現了基于異向介質后向波的小型化天線[4] ，Yang等則提出了具有主瓣寬度窄、仰角低特點的異向介質微帶天線[5]。但是，設計者們都希望天線的帶寬能夠覆蓋多個工作頻段以滿足越來越多的無線通信標準。與此同時，對于移動終端所使用的天線，如平面倒F天線(PIFA)，同時兼顧超寬帶并滿足小型化又非常困難[6-8]。另一方面，異向介質固有的強色散和有耗特性也似乎阻礙了異向介質加載天線帶寬性能的提高。Hao等研究了異向介質電小天線并指出加載材料的損耗將使天線性能惡化[9]。Tretyakov數值仿真了部分填充色散異向介質的微帶天線[10]，發現天線帶寬將小于單純空氣填充的天線。Yang等則分析和設計了含有異向介質雙層基底的亞波長諧振腔微帶天線[11]，雖然突破了傳統微帶天線的窄帶局限，但前提假設為異向介質是各向同性的均勻介質。

基于以上考慮，本文將異向介質地板引入共面波導饋天線的設計中，實現了具有超寬帶特性的異向介質天線。可以看出，異向介質諧振電路替代傳統輻射貼片的開路電容將有可能提高該天線的輻射特性。數值和實測數據表明，這種天線-10 dB相對帶寬達到了80%以上，諧振頻率包含無線局域網和城域網IEEE 801.11a標準及IEEE 802.16e標準的各載波頻段。在諧振頻段內具有全向的輻射方向圖。

1 天線設計與原理

圖1給出了加載異向介質地板的共勉波導饋天線模型。可以看出，周期性方形金屬貼片結構替代了天線傳統的金屬地板。其中天線各參量的物理尺寸見表1，基底的材料為Arlon DiClad 880，相對介電常數εr=2.2，厚度t=2 mm。

圖1 加載異向介質共面波導饋天線模型

表1 天線各參量物理尺寸

參量名稱abglqstw

尺寸 /mm6.53.10.350.715.4220.1

由于天線貼片終端和地板之間形成了輻射縫隙，邊緣場兼顧著儲能和輻射的作用。當異向介質地板引入后，由貼片不連續性所造成的電容效應將被異向介質的諧振電路取代。另一方面，與傳統天線相比，邊緣場輻射所導致的能量流失仍然可以用一個并聯導納來表示。如圖2所示，異向介質共面波導饋天線的輸入導納可以表示為:

Yin=Y0Ys+jY0tan(βl′)Y0+jYstan(βl′)(1)

式中:Ys為輻射縫隙的導納且具有以下形式:

Ys=G+M(2)

圖2 加載異向介質CPW的傳輸線模型

M表示了異向介質單元諧振電路的等效導納。已知當異向介質取得雙正參數時，分布參數將只由LR和CR表示。而當異向介質取得雙負參數時，分布參數LL和CL將起主要作用，但由于寄生效應，LR和CR也將存在。

圖3給出了該異向介質的本構參數[12]，可知在2~8 GHz介質的相對介電常數和相對磁導率均為正數，而且數值非常穩定，有效地減小了色散特性。當l′趨近于1/4波長時，Y2=Y20/Ys。此時若異向介質電路發生諧振或成感性，這意味著輸入阻抗將能夠更加接近實數，從而使得天線在其諧振頻點周圍工作的相當平穩，為獲得良好的帶寬特性提供了可能。為了驗證以上理論，圖4給出了該天線饋電點的輸入阻抗，可以看出，2~8 GHz頻段內輸入阻抗的實部相比于虛部將起主導作用，并且非常接近50 Ω的天線特性阻抗。對應實部最接近50 Ω且虛部最接近0的頻段，這也正好預示了該異向介質共勉波導饋天線的諧振頻段。

另外，異向介質地板也會對不同頻段的電磁波產生不同的反射和透射，以此來影響天線的某些輻射特性，在3~8 GHz內異向介質呈現雙正參數對應的為無截止頻率的傳輸通帶，天線所輻射的電磁波將更多的直接透射過異向介質加載的地板，造成天線在此頻段具有全向的輻射方向圖。因此，可以通過調整異向介質不同的擺向，以不同的通帶或阻帶來控制天線輻射方向。

圖3 異向介質的本構參數

圖4 異向介質天線輸入阻抗

2 仿真結果及其分析

利用Ansoft HFSS 11.0對異向介質共面波導饋天線進行全波仿真，并且與實際天線測量結果進行比對。圖5給出了該異向介質的加工實物。圖6則給出了此新型和傳統地板天線的回波損耗，從仿真結果可以看出，以5.8 GHz為中心頻率，異向介質天線小于-10 dB的相對帶寬達到了80%以上。

圖7給出了各諧振頻點的輻射方向圖。而且，實測結果與仿真結果較為吻合，其低頻駐波還要優于仿真結果，證明了異向介質天線分析和設計的正確性。諧振頻帶包含了無線通信中IEEE 802.11a標準5.1~5.8 GHz以及IEEE 802.16e標準固定和移動寬帶無線接入系統的所有載波頻段，使得該天線有著廣闊的實際應用前景。值得注意的是，在整個異向介質天線的設計中，并沒有附加任何的匹配網絡來提高寬帶，所以這個新型天線的效率會很高，而且更有利于小型化的實現。所以，除了貼片尺寸等一些傳統參量，基板的材質和厚度也將至關重要，這里不再贅述。

圖5 天線加工實物

圖6 回波損耗隨頻率的變化曲線

圖7 不同頻率下的輻射方向圖

3 結 語

研究了加載異向介質地板共面波導饋天線的新型輻射特性，通過對共面波導饋天線傳輸線模型的修正分析，從物理上有效地解釋了該天線帶寬性能提高。仿真數據表明，這種天線-10 dB相對帶寬達到了80%以上，諧振頻率包含多種無線局域網絡通信標準及城域網3~8 GHz固定和移動寬帶無線接入系統的應用載波頻段，大幅度地提高了傳統天線的窄帶局限。在諧振頻帶內，這種天線具有全向的輻射特性。最后，給出了天線實測結果，驗證了異向介質加載天線的合理性與可行性。

參考文獻

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