基于復合左右手傳輸線的頻率可調節天線

李清棟,馮全源

(西南交通大學信息科學與技術學院,四川成都 610031)

0 引言

隨著便攜無線通訊設備朝著小型化、多功能的方向發展,無線設備的有限空間限制了天線的尺寸和設備的功能,也對天線設計提出了更高要求。天線設計中的這些挑戰可以通過天線的小型化,寬帶化和天線性能參數可調節、可重構等方式來解決,可調節、可重構天線可以在有限的空間內提供多重功能,如頻率、輻射特性等參數的可調節、可重構[1]。近些年來廣大科研人員對天線的小型化,寬帶化[2],可調節、可重構[3-4]進行了廣泛的研究。

由于頻率可調節可達到頻譜有效利用的目的,很多學者在頻率可調節天線領域進行了研究。學者們通過具有加載MEMS開關、可調電感、可調電容等手段實現了天線工作頻率可調節(重構),但卻存在著天線尺寸過大、實現困難等缺點[5-7]。近年來,隨著超材料(Metamaterial)相關理論的進一步研究,尤其是復合左右手傳輸線(CRLH TL)[8-9]理論的廣泛研究為天線設計注入了新的設計理念和活力[10-11]。韓國學者Jaehyurk Choi等人通過超材料結構上加載不同類型傳輸線等方式實現了兩個頻率點處的工作頻率重構,但存在著重構方式不便,無法實現工作頻率實時可調節等缺點,局限性非常明顯[12]。為此,在總結前人工作的基礎上[13-14]本文提出了一款基于復合左右手傳輸線的頻率可調節天線。

1 復合左右手傳輸線理論及其應用

復合左右手傳輸線是這樣一類傳輸線,當電磁波在該傳輸線中傳播時,在某個頻率范圍內其傳播特性呈現“左手特性”,即其等效介電常數和等效磁導率同時為負值,電場、磁場和波矢量遵從左手定則。復合左右手傳輸線擁有許多奇異的性質,比如支持后向波(群速度和相速度相反)、在某些頻率處支持無限波長等。圖1是復合左右手傳輸線在無損情況下的等效電路結構單元。

圖1 復合左右手傳輸線結構單元Fig.1 Unit-cell of CRLH TL

圖1 中,Lr、Cl、Ll、Cr分別為串聯的右手電感 、串聯的左手電容、并聯的左手電感和并聯的右手電容。

根據布洛赫-弗羅蓋定理,該傳輸線單元的色散曲線可以用下式來表示:

式中,d為復合左右手傳輸線單元結構的長度。

通常情況下串聯諧振頻率和并聯諧振頻率并不一致,所以存在兩個非零諧振頻率處使得β=0,即在該頻率點處支持無限波長。

當N個這樣的單元結構串聯時,諧振模式數n與β滿足如下關系:

在這里n可以為任意整數,在n等于0時,即傳輸線工作在零階諧振狀態下時,這個N單元復合左右手傳輸線結構支持無限波長且其諧振狀態是不依賴復合左右手傳輸線自身尺寸的,可以根據這個特性實現天線的小型化。當傳輸線處于零階諧振狀態時,整個傳輸線上的電流(電壓)的分布呈現一致的狀態,這樣傳輸線結構上的阻抗損耗比較小。由于傳輸線工作在零階諧振狀態下時其尺寸不依賴復合左右手傳輸線的自身尺寸,而是由等效電路的相關等效參數決定,因此可以通過調節等效參數來實現天線的工作頻率可調節。

2 天線結構及分析

本設計采用的天線結構如圖2所示。

圖2 天線結構示意圖(單位:mm)Fig.2 Structure of antenna

基板采用Taconic RF-35(tm),相對介電常數εr=2.17,損耗角正切值tanδ=0.001 8,基板尺寸為15 mm×15 mm,厚度為0.8 mm。采用微帶線對天線進行饋電,在天線的底部通過加載的變容二極管的方式來實現天線工作頻率的實時可調節。

該天線的等效傳輸線模型如圖3所示。

圖3 等效CRLH TL單元示意圖Fig.3 Equivalent unit-cell of CRLH TL

圖3 中,C s?ΔC/(C s+ΔC)為底層金屬片與地之間的寄生電容以及加載的可變電容的等效電容,將其表示為C equ。

根據傳輸線相關理論,其諧振頻率可以近似表示為:

從公式可以看出諧振頻率將會隨著C equ的增大而減小,動態的改變變容二極管的電容值就可以達到天線工作頻率連續可調的目的。

3 仿真結果及分析

在仿真的過程中,令變容二極管的電容在0.315～4.900 pF之間變化,分別選取了7個電容值(即C1=0.261 pF,C2=0.381 pF,C3=0.465 pF,C4=0.533 p F,C5=0.727 pF,C6=1.768 pF,C7=5.473 pF)來考察其仿真結果,其S11參數如圖4所示。

圖4 天線的S11仿真結果Fig.4 Simulation Results of S11

從天線的S11參數仿真結果可以看出當變容二極管的電容從C1—C7之間變化時諧振頻率將會在2.723～1.986 GHz(S11＜-10 dB)之間的 737 MHz頻段內連續變化,并且隨著電容值的增大諧振頻率呈下降趨勢,這與理論分析是相符的。當變容二極管的電容值持續增大時,天線的諧振頻率將會變化甚微,符合反比例函數的性質。表1列出了典型電容值處的詳細仿真結果。

表1 典型電容值處的詳細仿真結果Tab.1 Detail results of representative capacitance values

從表1可以看出天線的性能變化集中體現在電容從0.261～1.768 pF變化之間。圖5展示了天線工作在2.388 GHz和2.442 GHz處的 E面方向圖,從圖中可以看到在改變變容二極管的過程中,天線的輻射方向圖只有輕微的連續變化,符合頻率可調節天線的要求。

圖6是天線諧振在2.388 GHz時的表面電流分布情況,從圖中可以看出傳輸線貼片表面電流的幅度分布在宏觀上是基本一致的,表面電流集中分布在底部的細輻射條帶上。當變容二極管的電容變化天線工作在其它頻率時,也可以看到類似的電流分布。

圖5 E面方向圖Fig.5 E_Plane Radiation Pattern

圖6 天線電流分布示意圖Fig.6 Current distribution of antenna

4 結論

本文提出了一款基于復合左右手傳輸線理論的頻率可調節天線的設計。通過加載變容二極管的方式來實現天線工作頻率的實時可調節。全波仿真結果表明:該天線在S波段的可調節范圍超過了700 MHz(S11＜-10 d B),天線的尺寸僅有15 mm×15 mm×0.8 mm,符合現代通訊設備對天線小型化的要求,具有一定的理論意義和廣闊的應用前景。

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