基于超材料的多波段小型化天線

曹衛平 劉曉倩 李思敏 曹穎楠

(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)

引 言

為了適應當前無線電子設備小體積、多用途、一體化發展的要求,天線必然朝小尺寸、多頻段、多用途的方向發展.目前實現天線小型化、多頻化的常規方法已然成熟[1-2], 但由于受到工作頻率的限制,傳統的天線在實現小型化上很難有突破. 因為復合左右手傳輸線結構具有許多特有的性質,如零階諧振、負階諧振特性. 對于前者,理論上電磁波的傳輸常數為零,此時波長為無窮大,所以天線電長度與尺寸無關,而僅與構成左右傳輸線的左手電感和右手電容有關．因此,將電磁超材料具有的奇異特性應用在天線上是我們主要的研究方向．

自提出并被驗證后, 復合左右手傳輸線作為左手材料研究的一個主要方面,現在各種新型復合左右手傳輸線結構層出不窮.2002年Caloz和Itoh等人提出了復合左/右手(Composite Right/Left-handed,CRLH)傳輸線理論,以及利用微波元件(交指電容和螺旋電感)構建人工左手傳輸線的想法,在實現天線小型化方面起到了很大的指導作用[3]．2006年,P. S. Hall 等人提出在偶極子天線上加載復合左/右手傳輸線這一想法來實現天線尺寸的縮減,其目的是將該天線應用于豐田汽車上[4]．文獻[5]利用左手材料的特性,設計了一種基于開口諧振環(SplitRing Resonator, SRR)單元的單極子天線,通過調節SRR單元的尺寸以及它在單極子天線中的位置,使其能工作在2.5/3.5/5.2 GHz三個頻段. 文獻[6-7]是在微帶天線的基礎上加載不同形式的超材料結構,利用超材料特有的電磁特性實現天線的多頻帶,同時這些多頻帶都適用于全球微波互聯通信(Worldwide Interoperability for Micro-wave Access, WiMAX)和無線局域網(Wireless Local Area Networks, WLAN). 文獻[6-7]利用超材料的零階諧振特性,設計了一種基于負折射率傳輸線(Negative Refractive Index Transmission Line, NRI-TL)電磁結構的蝶形天線,通過調節單元之間的縫隙電容和加載的細電感線,從而改變左手部分的電容和電感實現天線低頻處的諧振,達到多頻帶的目的. 雖然上述文獻中的天線實現了多頻化,但天線尺寸相對于本文所設計的天線尺寸略大.

本文依據CRLH傳輸線的零階諧振特性,提出了一種負折射率傳輸線(Epsilon Negative Transmission Line, ENG-TL)結構,該結構能實現天線的小型化;在此基礎上,加載了互補開口諧振環(Complementary Split Ring Resonators,CSRR)結構,實現天線的多頻帶. 所設計的天線覆蓋 WLAN/WiMAX頻段,且在各工作頻段內具有良好的全向輻射特性.

1 ENG-TL結構原理

ENG-TL屬于CRLH-TL的變形,是一種無耗(R=0和G=0)人工傳輸線,其等效電路如圖1所示. ENG-TL的等效介電常數和等效磁導率分別如下所示:

(1)

(2)

(3)

圖1 無耗ENG-TL 等效電路

相比傳統傳輸線,圖1的并聯支路上多了左手電感. 由于ENG-TL能產生負的等效介電常數(ε<0),從而構成一種單負介質,但當ε=0時,它和CRLH傳輸線一樣能產生零階諧振,也同樣具有電場分布均勻的特性.

由于ENG-TL單元的諧振頻率在β=0的情況下,ENG-TL單元的諧振頻率與其總長度L無關,而與并聯支路上的電感、電容有關. 因此,想要獲得天線的零階諧振點,只需要調節天線的并聯電抗參數(CR和LL),所以式(4)給出了ENG-TL的諧振特性與其諧振模式n、單元個數N、諧振器的總長度L之間的關系:

(4)

2 ENG-TL小型化天線的設計

2.1 ENG-TL結構天線的設計

所設計的天線采用FR4(εr=4.4、tanδ=0.02、h=1.6 mm)的介質基板,其尺寸W×L×H為12 mm×21 mm×1.6 mm. 天線結構如圖2所示．天線選擇非對稱共面波導(Asymmetric Coplanar Waveguide, ACPW)的饋電方式,相比對稱共面波導饋電,其尺寸可以減小一半.通過建立天線模型,并且對其仿真,最后通過多次優化得到各參數值,結果如表1所示.

本文所設計的單極子天線的主輻射體為不規則的六邊形貼片,為了更好地調節天線與饋電接口的匹配程度,在饋電部分加入矩形貼片(LS×WS).在不規則的六邊形貼片和ACPW的地面之間添加帶狀線來構造ENG-TL結構,該ENG-TL結構由LR、CR、LL組成,其右手串聯電感LR由不規則六邊形貼片自身產生,右手并聯電容CR由主輻射體和地面之間的耦合作用產生,而左手并聯電感LL由加入的帶狀線產生. (ENG-TL按照上述部分描述可以看出)

(a) 正面圖 (b) 側面圖圖2 ENG-TL加載的天線結構圖

表1 ENG-TL加載的天線詳細尺寸參數

2.2 天線仿真結果分析

圖3給出了加載超材料結構和未加載超材料結構情況下天線的S11仿真曲線. 從圖中可看出:未加載超材料結構時,天線諧振的頻率為4.4～6.68 GHz,絕對帶寬為2 280 MHz,這寬頻帶特性主要是由輻射貼片和右側地面產生;在貼片和地面之間加載帶狀線時,可以看出天線在2.56 GHz處產生一個新的諧振點,即為該天線的零階諧振模式. 同時還可以看出,高頻段的帶寬變得更寬,并且高頻段的起始頻率往低頻移動了,在基本滿足S11<-10 dB情況下,其工作阻抗帶寬為4.05～5.99 GHz和6.81～8.68 GHz,絕對帶寬分別為1 940 MHz和1 870 MHz.高頻段的兩個帶寬沒有完全融合,部分原因是受所加載的帶狀線寬度的影響,考慮到其后期的加工精度,所選的寬度使其高頻段中間的頻點沒有諧振．不同寬度的帶狀線仿真結果如圖4所示．從圖中可以看出,當W2=0.4 mm時,高頻段的整個帶寬內都滿足要求.由此表明,加載ENG-TL單元能夠使天線工作在更低頻率處,實現了天線的小型化.

圖3 超材料加載和未加載對天線S11的影響

圖4 不同寬度W2對天線S11曲線的影響

3 CSRR加載的多頻段天線

3.1 天線結構的設計

由于開口諧振環的磁諧振能產生負磁導率,依據這一思想,本文在原有的單極子天線的不規則六邊形主輻射貼片上加載了CSRR縫隙結構,這種結構產生的負等效磁導率作為左手部分的串聯支路,和上述ENG-TL結構產生的并聯電感共同構成了CRLH-TL的左手部分. 該天線的結構如圖5所示,加入CSRR縫隙結構后,并通過多次優化天線模型得到的各參數值如表2所示. 由于加入了CSRR縫隙結構,等效電路圖有所變化,圖6為變化之后的等效電路圖.

(a) 正面圖 (b) 側面圖圖5 CSRR縫隙加載的天線結構模型

圖6 CSRR縫隙加載的天線等效電路圖

表2 加載CSRR的天線的詳細尺寸參數

3.2 天線實測結果分析

對于前面所述的理論和仿真分析,ENG-TL結構的加載實現了天線的小型化,CSRR縫隙結構的加載實現了天線的多頻化.為了驗證這些性能的準確性,對其天線模型進行了實物加工,如圖7所示. 采用型號為MS2027C的矢量網絡分析儀對天線進行測量,測得及仿真的S11曲線如圖8所示. 從圖中可以看出,兩條曲線在低頻處的諧振點吻合較好,只是測試曲線的匹配程度有所降低. 從測試曲線中還可以看出,中間和高處頻率段的兩個諧振模式都離得比較近,從而阻抗帶寬減小,但整體趨勢相同,這可能由兩方面影響:1)由于加載的CSRR縫隙在實物加工時所導致的誤差;2)饋線與ACPW地面的距離也可能對其造成影響. 測試結果的頻段分別為2.4～2.52 GHz(120 MHz)、3.48～4.36 GHz(880 MHz)、4.68～8.16 GHz(3480 MHz).

圖7 天線實物

圖8 天線的S11曲線圖

圖9給出了2.45 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz三個頻點的仿真和測試的歸一化二維方向圖. 該測量結果是在微波暗室中完成的.從圖中可以看出:本文提出的多頻天線和傳統單極子天線的方向圖類似,其E面呈現“∞”形,H面呈圓形;天線H面方向圖的不圓度加大,E面方向圖略微的大聲畸變. 這可能因為:1)天線尺寸過小,且采用非對稱共面波導饋電方式所引起的;2)在測試過程中,采用的50 Ω同軸電纜產生的電磁散射和二次輻射所致;3)測試儀器所引起的.天線在2.45 GHz處的仿真和測試增益分別為1.43 dB和0.6 dB;在3.5 GHz處的仿真和測試增益分別為3.49 dB和2.6 dB;在5.8 GHz處的仿真和測試增益分別為4.42 dB和3.9 dB.

(a) 2.45 GHz

(b) 3.5 GHz

(c) 5.8 GHz圖9 天線各頻點歸一化二維方向圖

下面將本文所設計的小型化、多頻段天線與參考文獻[6, 10-12]中的天線進行比較,具體內容如表3所示. 從表中可以看出,使用的板材雖然都為FR4(εr=4.4),但板材的高度略有不同. 另外在天線工作頻段大致相同的情況下,本文設計的天線在尺寸上有一定的優勢.

表3 天線性能對比表

3.3 天線中CSRR結構的電磁參數提取[13]

對天線中加載的CSRR結構進行電磁參數提取,并使用HFSS對CSRR結構進行仿真,得其S參數,并通過MATLAB編程計算,最終獲得等效介電常數εr和等效磁導率μr如圖10所示．

從圖10可以看出在3～4 GHz頻帶中某一段CSRR相對磁導率的實部為負值,相對介電常數實部雖然出現了抖動但始終大于零．這表明在該頻段內CSRR為負磁材料．等效為負磁材料時,CSRR的相對帶寬較窄．

(a) 等效介電常數

(b) 等效磁導率圖10 提取的電磁參數

4 結 論

本文設計了一款加載ENG-TL結構的單極子天線模型,結果表明加載ENG-TL結構實現了天線的小型化. 另外為了實現天線的多頻帶,又在此基礎上加載了CSRR結構,研究結果表明,加載CSRR結構天線能夠實現WLAN(2.4/5.2/5.8 GHz)和WiMAX(3.5/5.8 GHz)頻段．本文的結果表明采用超材料結構實現了小型化及多頻化,對于工程實踐具有參考價值. 后期可以改進加載其他形式CSRR結構來對比哪類結構可以實現最優的結果.

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