頻帶展寬的復合左右手傳輸線偶極子天線

曹衛平 張惠敏 李思敏 李貝貝

(1.桂林電子科技大學信息與通信學院 認知無線電與信息處理省部共建教育部

重點實驗室,桂林 541004;2.廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室,桂林 541004)

?

頻帶展寬的復合左右手傳輸線偶極子天線

曹衛平1,2張惠敏1李思敏1,2李貝貝1

(1.桂林電子科技大學信息與通信學院 認知無線電與信息處理省部共建教育部

重點實驗室,桂林 541004;2.廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室,桂林 541004)

針對周期復合左/右手(Composite Right/Left-Handed, CRLH)傳輸線偶極子天線帶寬窄的問題,提出一種非周期CRLH傳輸線的天線模型.該模型主要由N個不同尺寸的LC梯形網絡單元組成,實現參差調諧,改善天線的阻抗匹配,拓展天線帶寬.設計了一種四單元非周期CRLH偶極子天線,模擬和實驗測試結果表明:天線的長度為0.135λ0時,滿足回波損耗|S11|≤-10 dB的相對阻抗帶寬為8.55%,天線的匹配性能得到了改善.

非周期結構;阻抗匹配;阻抗帶寬

DOI 10.13443/j.cjors.2016042701

引 言

無線通信系統要求天線小型化[1]、大容量,天線傳統的小型化方法往往是以犧牲天線的工作帶寬、效率等性能為代價.如何實現天線的小型化、寬帶化是我們研究的主要問題.

復合左/右手(Composite Right/Left-Handed, CRLH)傳輸線是一種傳輸線形式的左手超材料,最早在2002年由美國UCLA大學的Itoh等人提出[2].因為左手傳輸線在實際的實現過程中會不可避免地存在寄生的右手效應,UCLA小組引入了CRLH傳輸線的概念[3].隨著CRLH傳輸線技術的發展,其在天線設計領域的應用越來越廣泛[4-5],由CRLH傳輸線結構構成的零階諧振天線的諧振頻率不再依賴諧振器的物理尺寸,左手結構零階諧振天線的尺寸可以小于半波長,從而實現了天線的小型化[6].采用周期性結構CRLH傳輸線在實現電小天線的小型化方面有著其他結構天線無可比擬的優越性,但是也面臨著一些問題:天線的輻射效率很低、帶寬很窄.文獻[7]所設計的基于CRLH傳輸線的偶極子天線帶寬僅為1%,文獻[8]所設計的偶極子天線帶寬更窄,僅為0.2%.

針對周期性CRLH傳輸線偶極子天線帶寬拓展范圍的局限性,文中提出了一種非周期CRLH傳輸線偶極子天線,對比周期CRLH傳輸線偶極子天線的仿真結果,四單元的非周期CRLH傳輸線偶極子天線的阻抗帶寬得到了很好的拓展.

1 CRLH傳輸線的基本理論

CRLH傳輸線是指當電磁波在該傳輸線中傳播時,在某個頻率范圍內呈現“左手特性”,在其他頻率范圍內呈現“右手特性”的傳輸線.

純右手分布式傳輸線諧振器,當諧振器的物理長度為l時,其諧振頻率ωn(以下用βn表示)與半波長或電長度θn存在如下的關系[9]:

(1)

由于純右手分布式傳輸線諧振器的電長度θn一定為正值,因此諧振階數n也只能為正值,即n=+1,+2,…,+∞.

對于CRLH傳輸線諧振器,由于其色散曲線存在β=0(臨界頻率點)和β<0(左手特性頻段),因此存在零階和負數階諧振模式[9],公式(1)改為:

(2)

式中,n=0,±1,±2,…,±∞.

當CRLH傳輸線由N個LC梯形網絡單元組成時,其各階諧振頻率可由式(3)求得:

β(ω)=nπa/L=nπ/N.

(3)

式中：n=0,±1,±2,…,±∞為諧振模式;L為N單元CRLH諧振器的總長度.

CRLH傳輸線的諧振模式為負值時,諧振頻率點隨諧振模式|n|的增加而減小,即在不改變其物理尺寸的情況下工作頻率點減小,基于CRLH傳輸線的偶極子天線就是利用CRLH傳輸線這一特性來實現天線小型化的.

2 周期CRLH傳輸線偶極子天線的分析與設計

2.1 基于周期CRLH傳輸線的偶極子天線原理

CRLH傳輸線偶極子天線相當于一段終端處于開路狀態的CRLH傳輸線,模型圖如圖1所示.

圖1 基于CRLH傳輸線偶極子天線的模型

CRLH傳輸線單元結構由兩根平行的金屬圓柱導線組成,兩根平行圓柱導線之間加有金屬短截線產生并聯電感,其中一根圓柱是由三個小圓柱構成,小圓柱之間的縫隙加有介電常數為4.4的聚四氟乙烯圓柱,產生兩個串聯電容,天線的饋電端口加在由小圓柱組成的金屬圓柱導線上,這種饋電方式可以使兩平行金屬導線上的電流方向相反且幅值不相等,從而可以產生輻射[10].

由于平行的金屬圓柱導線本身存在右手特性,所以CRLH傳輸線偶極子天線呈現CRLH傳輸線的特性,其單元等效電路如圖2所示.

圖2 CRLH傳輸線偶極子天線單元的等效電路

圖2中,a為單元的物理長度,Δθ為周期單元的電長度,由小金屬圓柱之間的縫隙產生的串聯電容CL和由金屬短截線得到的并聯電感LL構成了左手傳輸線部分,金屬圓柱導線本身產生的分布串聯電感LR和并聯電容CR構成右手傳輸線部分.

2.2 周期性CRLH傳輸線的偶極子天線仿真結果分析

四單元的CRLH傳輸線偶極子天線的模型如圖1所示,天線單元尺寸圓柱半徑r1=6.5 mm,圓柱高度a1=2.5 mm,圓柱高度a2=5 mm,短截線半徑b=0.35 mm,短截線長度d=18.5 mm.金屬圓柱之間的縫隙尺寸g由1.2 mm逐漸增大至1.8 mm時,偶極子天線的反射系數如圖3所示.

圖3 CRLH傳輸線偶極子天線反射系數仿真結果

理論上四單元的CRLH傳輸線應存在n=-1和n=-3兩個負數階模式.從圖3可以看出:當g=1.2 mm和1.4 mm時,兩個諧振頻率點逐漸遠離,顯現為兩個諧振頻率點,出現了阻抗不匹配的問題;將縫隙的尺寸調整到g=1.6 mm時,兩個諧振頻率點相互靠近發生“融合”,在一定程度上實現了天線帶寬的拓展;當g=1.8 mm時,由于兩個模式靠得非常近,兩個諧振頻率點重疊在一起,只顯現出一個諧振頻率點.

四單元CRLH傳輸線偶極子天線仿真選取的參數為g=1.6 mm,d=18.5 mm,b=0.35 mm,天線反射系數仿真結果如圖4所示.從圖4可以看出,天線仿真得到兩個諧振頻率點分別為f-1=811.7 MHz和f-3=791.1 MHz,中心頻率f0=806.8 MHz,此時天線的阻抗帶寬為51 MHz(頻率為780.6～831.6 MHz),相對帶寬為6.3%.

天線在各階諧振頻率點處的二維方向圖如圖5所示.在n=-1階諧振模式的仿真增益為-3.38 dBi,在n=-3階諧振模式的仿真增益為-4.07 dBi,中心頻率處的增益為-3.8 dBi,天線在n=-1和n=-3階諧振點的輻射效率分別為87.09%和75 %.

圖4 周期性CRLH傳輸線偶極子天線的反射系數

(a) 諧振頻率f-1=811.7 MHz處的仿真結果

(b) 諧振頻率f-3=791.1 MHz處的仿真結果

(c) 中心頻率806.8 MHz處的實測方向圖圖5 周期性電小偶極子天線的仿真輻射方向圖

3 非周期CRLH傳輸線偶極子天線的分析與設計

3.1 非周期CRLH傳輸線偶極子天線的基本理論

周期性CRLH傳輸線偶極子天線為了獲得較好的駐波特性,兩個諧振頻率點需要靠得很近.通過調節金屬圓柱之間的縫隙大小和金屬短截線的尺寸到合適的值,使兩個諧振頻率點“融合”,但拓展得到的帶寬并不是很寬,且隨著兩個諧振頻率點之間的距離增加,出現了阻抗不匹配的問題,加載匹配電路會增加天線結構的復雜度,降低天線的性能.

為了進一步拓展CRLH傳輸線偶極子天線的帶寬,提出了一種非周期CRLH傳輸線偶極子天線,該天線上任意兩個單元的縫隙尺寸g和金屬短截線的半徑b是不相同的,天線結構如圖6所示.

圖6 非周期CRLH偶極子天線結構圖

由于每個單元的諧振頻率點不一樣,故對于N單元的非周期CRLH傳輸線諧振器,各階諧振頻率如公式(4)表示

(4)

式中βi為第i個單元的相位常數.對于四單元CRLH傳輸線偶極子天線,由于天線上下兩臂是對稱的,則公式(4)應改為

2p(β1+β2)=nπ (n=-1,n=-3).

(5)

由式(5)可知,只要保證相鄰單元兩個諧振頻率點之間的間距不是無限大,采用非周期性結構可以實現參差調諧,且滿足阻抗匹配,拓展天線的阻抗帶寬.

3.2 非周期CRLH傳輸線偶極子天線的仿真結果及實測分析

四單元非周期CRLH傳輸線偶極子天線實物如圖7所示,天線尺寸參數為g1=1.4 mm,g2=1.5 mm,b1=0.35 mm,b2=0.2 mm,a1=2.3 mm,a2=5 mm,r1=6.5 mm,d=18.5 mm.天線的反射系數仿真與測試結果對比如圖8所示.

圖7 非周期CRLH偶極子天線實物圖

從圖8可以看出,天線仿真得到兩個諧振頻率點分別為f-1=796.3 MHz和f-3=751.6 MHz,中心頻率點為777.3 MHz,此時天線的阻抗帶寬為66.5 MHz(頻率為744.1～810.6 MHz),相對帶寬為8.55%.實測得到的非周期CRLH傳輸線偶極子天線的兩個諧振頻率點分別為f-1=768.7 MHz和f-3=740.4 MHz,中心頻率點為756.5 MHz,天線的阻抗帶寬為66.4 MHz(頻率為717.2～783.6MHz),天線諧振頻率與仿真結果略有差異.

圖8 非周期CRLH傳輸線偶極子天線的反射系數

天線在各階諧振頻率點處的二維方向圖如圖9所示,在n=-1階諧振點,天線的增益為-3.5 dBi, 在n=-3階諧振點,增益為-4.08 dBi, 在中心頻率點(777.3 MHz)處,天線的增益為-3.75 dBi.非周期CRLH結構的偶極子天線在n=-1和n=-3階諧振點的仿真效率分別為87.5%和74.4%.

實測結果表明,基于非周期CRLH結構的偶極子天線的阻抗帶寬為66.4 MHz,相對帶寬為8.55 %,與周期結構相比,天線阻抗帶寬拓展了15.4 MHz.非周期CRLH結構的偶極子天線在n=-1和n=-3階諧振點的輻射效率分別為87.5%和74.4%.

(a) 諧振頻率f-1=796.3 MHz處的仿真結果

(b) 諧振頻率f-3=751.6 MHz處的仿真結果

(c) 中心頻率777.3 MHz處的實測方向圖圖9 非周期CRLH傳輸線偶極子天線方向圖

4 結 論

在周期CRLH傳輸線偶極子天線的基礎上,設計出了一種非周期CRLH傳輸線偶極子天線,實現了天線阻抗帶寬的拓展,并對非周期CRLH傳輸線偶極子天線進行了實物加工與測試.實測結果表明:采用非周期CRLH傳輸線的偶極子天線能夠有效拓寬天線的帶寬,改善天線的匹配性能,實物測試與仿真結果取得了較好的一致性.

[1]WHEELER H A.Small antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1975, 23(4)：462-469.

[2]CALOZ C, LIN I, ITOH T.Characteristics and potential applications of nonlinear left-handed transmission lines[J].Microwave and optical technology letters, 2004, 40(6)：471-473.

[3]SANADA A, KIMURA M, AWAI I, et al.A planar zeroth-order resonator antenna using a left-handed transmission line[C]//34th European Microwave Conference.Amsterdam, the Netherlands, 2004：1341-1344.

[4]關闖, 王平平, 畢軍建.復合左右手傳輸線結構漏波天線優化設計[J].電波科學學報, 2015, 30(1)：97-103.

GUAN C, WANG P P, BI J J.Optimal design of leaky-wave antennas based on CRLH structure[J].Chinese journal of radio science, 2015, 30(1)：97-103.(in Chinese)

[5]張洪欣, 許媛媛, 楊晨, 等.X型超寬帶復合左右手傳輸線設計與仿真[J].電波科學學報, 2012, 27(6):1136-1140+1262.

ZHANG H X, XU Y Y, YANG C, et al.Design and simulation of an X-type ultra-wide band composite left/right handed transmission lines[J].Chinese journal of radio science, 2012, 27(6)：1136-1140+1262.(in Chinese)

[6]朱旗, 吳磊, 徐善駕.基于左手傳輸線的雙線極化微帶陣列天線[J].電波科學學報, 2007, 22(3):359-364.

ZHU Q, WU L, XU S J.Dual-linearly-polarized microstrip array based on left-handed transmission line[J].Chinese journal of radio science, 2007, 22(3):359-364.(in Chinese)

[7]IIZUKA H, HALL P S.A left-handed dipole concept[C]//IEEE International Workshop on Antenna Technology Small Antennas and Novel Metamaterials, 2006:396-399.

[8]IIZUKA H, HALL P S, BORJA A L.Dipole antenna with left-handed loading[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2006, 5(1)：483-485.

[9]崔萬照, 馬偉, 邱樂德, 等.電磁超介質及其應用[M].北京:國防工業出版社, 2008:1-9,144-197, 244-245, 314-329.

[10]LIN C, ARAI H, SUDA T.A small monopole antenna based on composite right/left-handed transmission line by coaxial structure[C]//International Workshop on Antenna Technology：Small Antennas and Novel Metamaterials.Chiba, 2008：418-421.

Bandwidth-extended dipole antenna based on composite right/left handed transmission line

CAO Weiping1,2ZHANG Huimin1LI Simin1,2LI Beibei1

(1.KeyLaboratoryofCognitiveRadioandInformationProcessingGuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China;2.GuangxiKeyLaboratoryofWirelessWidebandCommunicationandSignalProcessing,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

To solve the problem of narrow bandwidth in electrically small antenna which employs periodic composite right/left-handed(CRLH) transmission line, a new type of electrically small dipole antenna using non-periodic CRLH transmission line is proposed.The model includes N units of various size LC ladder network cells.Staggered tuning is implemented to improve the antenna impedance matching and broaden the antenna bandwidth.A four units non-periodic CRLH dipole antenna is designed.The simulation and experiment show that when the length of the antenna is 0.135λ0, 8.55% impedance bandwidth with |S11|≤-10 dB can be achieved.The matching performance of the antenna is improved to a large extent.

non-periodic;impedance matching;impedance bandwidth

曹衛平, 張惠敏, 李思敏, 等.頻帶展寬的復合左右手傳輸線偶極子天線[J].電波科學學報,2016,31(5):891-895.

10.13443/j.cjors.2016042701

CAO W P, ZHANG H M, LI S M, et al.Bandwidth-extended dipole antenna based on composite right/left handed transmission line[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):891-895.(in Chinese) DOI：10.13443/j.cjors.2016042701

2016-04-27

國家自然科學基金(61361005，61001020，61461016)； 桂林電子科技大學研究生教育創新計劃(YJCXS201526)

TN821+.4

A

1005-0388(2016)05-0891-05

曹衛平 (1971-),男,湖南人,教授,博士,桂林電子科技大學碩士生導師,主要從事射頻和天線方面的研究.

張惠敏 (1991-),女,河南人,桂林電子科技大學碩士研究生,主要從事天線方面的研究.

李思敏 (1963-),男,江蘇人,博士,教授,博士生導師,主要從事寬帶小型化天線、高功率微波、計算電磁學、微波通信的研究工作.

聯系人：張惠敏 E-mail：Gliet_zhanghuimin@163.com