基于CRLH TL的蘑菇型寬帶小型化天線設(shè)計(jì)

曹衛(wèi)平，邵金華，李貝貝

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004;2.桂林電子科技大學(xué) 認(rèn)知無(wú)線電與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541004)

隨著無(wú)線通信的迅猛發(fā)展，對(duì)智能化、便攜式、大容量移動(dòng)通信終端的需求量越來(lái)越大。微帶貼片天線具有低剖面、體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低、方向性好、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。但微帶天線Q值高、帶寬窄［1］，從而限制了其應(yīng)用，因此，展寬天線帶寬具有十分重要的意義［2］。

2002年Caloz等提出了一種實(shí)現(xiàn)異向特性的超材料——復(fù)合左/右手(CRLH)傳輸線［3-4］。當(dāng)電磁波在CRLH傳輸線傳播時(shí)，在某個(gè)頻率范圍內(nèi)其傳播特性呈現(xiàn)“左手特性”，而在其他頻率范圍內(nèi)則呈現(xiàn)“右手特性”。為此，運(yùn)用CRLH傳輸線，通過(guò)減小接地板的尺寸，設(shè)計(jì)了一種適用于Wi-Fi和WiMAX通信的蘑菇型寬帶小型化天線。

1 蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)

蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)由Sievenpiper等［5］提出，如圖1所示。每個(gè)蘑菇型CRLH單元由一正方形金屬貼片通過(guò)金屬化過(guò)孔與接地板連接而成。p為蘑菇型CRLH單元的物理長(zhǎng)度，h為基板的厚度。

圖1 蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of mushroom CRLH

蘑菇型CRLH單元的等效電路如圖2所示。

圖2 單元等效電路Fig.2 The equivalent circuit of unit cell

根據(jù)Bloch-Floquet定理，對(duì)傳輸線單元模型應(yīng)用周期邊界條件，蘑菇型CRLH單元結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系為［6］:

其中:Z、Y分別為阻抗和導(dǎo)納;CL為左手串聯(lián)電容，由單元之間的邊緣縫隙耦合得到;LL為左手并聯(lián)電感，由流經(jīng)金屬化過(guò)孔的電流產(chǎn)生;LR為右手串聯(lián)電感，由金屬貼片表面電流分布引起。

根據(jù)式(1)，蘑菇型CRLH單元結(jié)構(gòu)的色散曲線如圖3所示。從圖3可看出，由蘑菇型CRLH傳輸線構(gòu)成的諧振器具有負(fù)數(shù)階諧振特性，能有效地實(shí)現(xiàn)天線的小型化。

圖3 蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)單元的色散曲線Fig.3 Dispersion relation of mushroom CRLH unit cell

2 小接地板蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)的寬頻帶特性

根據(jù)文獻(xiàn)［7-8］，蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)的Q值與其接地板的形式及尺寸有關(guān)，通過(guò)縮小接地板的尺寸，可降低天線的Q值，從而拓展天線帶寬。圖4為一種縮小接地板尺寸的蘑菇型CRLH天線單元。

金屬貼片的中心通過(guò)金屬化過(guò)孔與背面相連，而在天線背面用細(xì)導(dǎo)線連接過(guò)孔與主地板，有效地縮小了接地板的尺寸。采用共面波導(dǎo)方式饋電，通過(guò)T型發(fā)射板給天線加上激勵(lì)［7］，調(diào)節(jié)T型反射板中饋線的長(zhǎng)度和寬度，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖4 蘑菇型CRLH天線單元Fig.4 Unit cell of mushroom CRLH antenna

利用電磁仿真軟件CST仿真了天線的頻帶特性，并與接地板未縮小的情況進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。從圖5可看出，縮小接地板后，天線的帶寬變寬且諧振頻率降低，實(shí)現(xiàn)了小型化。

圖5 兩種接地板對(duì)應(yīng)的頻帶特性Fig.5 The frequency bandwidth characteristics in two kinds of grounds

3 寬帶小型化天線的設(shè)計(jì)

盡管縮小接地板后，該蘑菇型結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是真正意義上的CRLH傳輸線結(jié)構(gòu)，但仍保持了CRLH天線的諧振特性。由CRLH傳輸線諧振器的特性［6，9］可知，3個(gè)蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的天線具有5個(gè)諧振點(diǎn)，包括2個(gè)左手諧振頻率(fn=－1、fn=－2)、2個(gè)右手諧振頻率(fn=1、fn=2)以及1個(gè)零階諧振頻率(fn=0)。根據(jù)單元小接地板蘑菇型CRLH天線結(jié)構(gòu)的寬頻帶特性，設(shè)計(jì)了一種三單元蘑菇型CRLH天線，如圖6所示。天線印制在FR4板上(厚度為1 mm，損耗角正切為0.02)，利用電磁仿真軟件CST進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真分析知，接地板縮小后，蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)的等效并聯(lián)電感增大，使得天線的各階諧振頻率點(diǎn)均往低頻移動(dòng);天線的n=－1、－2階諧振點(diǎn)的帶寬仍比較窄，而n=0、1、2階諧振頻率點(diǎn)以及n=2階模式右邊固有的諧振點(diǎn)均具有良好的寬頻帶特性，并且通過(guò)調(diào)節(jié)饋線長(zhǎng)度lf和寬度wf，可以改善天線的輸入阻抗特性，使得天線從n=0階諧振點(diǎn)到固有諧振點(diǎn)均滿足S11≤－10 dB。

圖6 三單元蘑菇型CRLH天線Fig.6 Three unit cells of mushroom CRLH antenna

天線反射系數(shù)隨饋線長(zhǎng)度lf和寬度wf以及蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)貼片單元尺寸p的變化情況如圖7所示。從圖7(a)、(b)可看出，當(dāng)蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)單元尺寸給定時(shí)，天線n=0、±1、±2階諧振頻率點(diǎn)基本不隨饋線尺寸的變化而改變。饋線長(zhǎng)度lf主要影響天線的固有諧振點(diǎn)，lf越大固有諧振頻率越低;饋線的寬度wf主要影響天線的輸入阻抗特性，而不會(huì)影響天線的諧振頻率點(diǎn)。從圖7(c)可看出，天線的各諧振頻率點(diǎn)受p值的影響，諧振頻率點(diǎn)隨著p的增大而降低。

圖7 天線的反射系數(shù)Fig7 The reflection characteristics

經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化，取蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)單元的金屬貼片尺寸為13.5 mm×13.5 mm，單元間耦合縫隙寬度g=0.12 mm，金屬化過(guò)孔半徑r=0.3 mm，T型發(fā)射板饋線的寬度wf=2 mm，長(zhǎng)度lf=4 mm，背面接地線的寬度為0.6 mm。

仿真和實(shí)測(cè)的反射系數(shù)如圖8所示，天線頻率在2.39～5.71 GHz內(nèi)滿足S11≤－10 dB，相對(duì)帶寬達(dá)到82%，能夠覆蓋Wi-Fi(2.40～2.484 GHz、5.15～5.35 GHz)以及WiMAX(3.3～3.8 GHz)頻段。

天線在2.4、2.48、3.3、3.8、5.15、5.35 GHz的二維方向仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 蘑菇型CRLH寬帶小型化天線的反射系數(shù)Fig.8 The reflection characteristics of broadband and miniaturization mushroom antenna based on CRLH

圖9 蘑菇型CRLH寬帶小型化天線的方向圖Fig.9 The radiation pattern of broadband and miniaturization mushroom antenna based on CRLH

從圖9可看出，在2.4～2.48 GHz、3.3～3.8 GHz的頻段，天線在水平方向的全向性較好;在5.15～5.35 GHz頻段，方向圖發(fā)生畸變，最大輻射方向偏離了水平方向。天線頻點(diǎn)在2.4、2.48、3.3、3.8、5.15、5.35 GHz的增益分別為2.25、2.26、3.4、4.11、2.99、2.83 dBi，除了5.35～5.71 GHz頻段的輻射效率較低(74%)外，其他頻點(diǎn)的輻射效率均在86%以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用小接地板蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)的寬頻帶特性，設(shè)計(jì)了一種蘑菇型CRLH寬帶小型化天線，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線在2.39～5.71 GHz的頻率范圍內(nèi)滿足S11≤－10 dB，帶寬達(dá)到82%，具有較好的全向輻射特性，能夠覆蓋Wi-Fi(2.40～2.484 GHz、5.15～5.35 GHz)以及WiMAX(3.3～3.8 GHz)頻段。

［1］鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1991:1-3.

［2］高向軍，王光明，張晨新.一種寬帶圓形縫隙天線的設(shè)計(jì)［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，6(6):28-30.

［3］Caloz C，Itoh T.Electromagnetic metamaterials:transmission line theory and microwave applications［M］.Hoboken，NJ:Wiley-In-Terscience，2006:59-131.

［4］Caloz C，Sanada A，Itoh T.A novel composite right/lefthanded coupled-line directional coupler with arbitrary coupling level and broad bandwidth［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52(3):980-992.

［5］Sievenpiper D，Zhang L，Broas R F J，et al.High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1999，47(11):2059-2074.

［6］崔萬(wàn)照，馬偉，邱樂(lè)德，等.電磁超介質(zhì)及其應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008:18-48，144-197，245-262，314-329.

［7］Lee C J，Huang W，Gummalla A，et al.Small antennas based on CRLH structures:concept，design and applications［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2011，53(2):10-25.

［8］Lee C J，Leong K M K H，Itoh T.Broadband small antenna for portable wireless application［C］//IEEE International Workshop on Antenna Technology:Small Antennas and Novel Metamaterials，2008:10-13.

［9］Lee C J，Leong KM K H，Itoh T.Design of resonant small antenna using composite right/left-handed transmission line［C］//Antennas and Propagation Society International Symposium，IEEE，2005:218-221.