基于左手材料的微帶天線小型化設計

孫 燁，趙文美，劉 碩，程永霞

(山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266590)

基于左手材料的微帶天線小型化設計

孫 燁，趙文美，劉 碩，程永霞

(山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266590)

針對移動通信對天線小型化的需求，提出了一種基于左手材料實現微帶天線小型化的方法。在諧振頻率為5.8 GHz的微帶天線的接地板上蝕刻圓形單開口諧振環(Circular Split Single-Ring Resonator，CSSRR)結構的左手材料，利用左手材料的后向波特性進行相位補償，打破傳統微帶天線半波長電尺寸的束縛，從而達到天線小型化的目的。采用Ansoft HFSS軟件進行仿真，分析了CSSRR結構的電磁特性和小型化天線的性能。仿真結果表明，小型化天線與傳統微帶天線相比輻射貼片的尺寸減小37.52%，帶寬略有增加，增益等參數性能基本保持不變。而且該小型化微帶天線結構簡單，易于實現。

左手材料；微帶天線；小型化；圓形單開口諧振環；回波損耗

0 引言

微帶天線因其制作簡單、結構緊湊等突出優點[1]在通信領域得到廣泛應用。隨著無線通信技術的飛速發展，對器件小型化的要求越來越嚴格。目前，常見的微帶天線小型化技術有開縫開槽[2]、加載短路[3]和采用高介電常數介質板[4]等。但這些技術存在缺陷，即使實現了微帶天線的小型化，也會導致微帶天線的帶寬、輻射效率等[5]性能變差。

左手材料(Left Handed Metamaterials，LHM)是一種同時具有負介電常數與負磁導率的新型人工電磁結構材料[6]。大量研究表明將LHM用于濾波器[7]、天線[8]等微波器件，利用其負折射效應、后向波特性等奇特的電磁特性，可以有效地減小器件的尺寸以及改善某些性能[9]。Engheta等[10]提出了應用左右手復合材料實現小于半波長的小型化諧振腔，開辟了LHM新的研究領域。Liu等[11]利用左右手復合傳輸線，使線路間的耦合強度增大，從而達到耦合器的小型化的目的。Antoniades等[12]利用LHM后向波特性設計的超寬帶傳輸線巴倫，相對帶寬達到了77%且尺寸僅為原來的一半。文獻[13]提出微帶天線諧振頻率隨著接地板上引入I型SRR數量的增加而降低，當引入15個I型SRR時，天線諧振頻率降低了0.519 GHz。Limaye等[14]提出在微帶天線的反面蝕刻4個CSRR，天線諧振頻率下降了1.4 GHz，天線尺寸減小49%。

本文設計了一款傳統的5.8 GHz微帶天線。在天線的接地板上水平蝕刻周期性的CSSRR結構的LHM，實現天線小型化。仿真結果證明，設計的新型天線尺寸分別只有傳統微帶天線的62.48%，達到了天線的小型化目的，結構簡單而且對天線的輻射性能影響較小。

1 左手材料的相位補償效應

2002年，Engheta等[10]提出的基于左右手復合介質的一維小型化諧振腔，結構如圖1所示。其中，左側為右手材料(RHM)，折射率為n1，厚度為d1；右側為LHM，折射率為n2，厚度為d2。

圖1 一維小型化諧振腔結構

假設RHM的特征阻抗與自由空間的相同，當電磁波穿過該介質表面時不會發生反射，穿透該介質時，波前相位和入射點的相位差為：

Δθ1=n1k0d1，

(1)

式中，k0為傳播常數。

當電磁波穿過RHM進入LHM時，RHM的波矢量k1與坡印廷矢量S1平行同向；LHM的S2與k2平行反向(LHM的后向波特性)。因此，當電磁波穿透LHM時，產生的相位差為：

Δθ2=-n2k0d2。

(2)

電磁波穿過該一維結構產生的總相位差為：

Δθ=Δθ1+Δθ2=n1k0d1-n2k0d2。

(3)

當RHM和LHM的厚度滿足d1/d2=n2/n1時，左右手復合材料構成的平板總相位差為0。因此，LHM起到了相位補償的作用。并且可以通過調整LHM的厚度，以減小諧振頻率[15]。

本文在微帶天線接地板上水平引入LHM，可以利用LHM的后向波特性對天線的縱向波進行相位補償，打破傳統微帶天線半波長電尺寸的束縛，從而達到天線小型化的目的。

2 圓形單開口諧振環結構

本文提出了一種色散穩定且電尺寸小的CSSRR結構的LHM單元，如圖2所示。經過Ansoft公司的HFSS13.0仿真優化，該結構的尺寸參數設計為：外環半徑R=2.4 mm，環寬度w=0.2 mm，開口寬度k=0.2 mm。

圖2 CSSRR單元結構

采用矩形波導法[16]對CSSRR的傳輸特性進行仿真，結構如圖3所示。將周期排列的CSSRR豎直放置在波導中，電磁波沿y軸正向入射，設置開放邊界；波導上下面設置PEC電邊界；前后面設置PMC磁邊界。

圖3 CSSRR左手材料仿真模型結構

通過電磁仿真分析，得到電磁波在波導中傳播的S參數。采用Smith參數提取法[17]借助Matlab軟件編程反算出CSSRR的等效介電常數和磁導率隨頻率變化曲線，結果如圖4所示。

圖4 左手材料的電磁特性參數

由圖4可以看出，在5.6～7.3 GHz頻段內，等效磁導率和介電常數的實部同為負值，使得在該介質中傳播電磁波的電場E，磁場H和波矢量k滿足左手系，坡印廷矢量S與波矢量k異向，從而顯示出CSSRR結構具有左手特性和后向波特性。

3 小型化天線設計

首先，根據天線理論設計一款傳統的中心工作頻率f=5.8 GHz的微帶天線[18-19]作為對比。選取厚度h=1.6 mm，相對介電常數εr=4.4的FR4作為介質板，介質板的尺寸為30 mm×29 mm，輻射貼片的尺寸為L0×W0=11.34 mm× 15.7 mm。天線采用λ/4阻抗轉換器與50 Ω微帶線相連進行側饋，微帶線長l1=7 mm、寬w1=0.78 mm，結構如圖5所示。

圖5 微帶天線結構

在微帶天線的接地板上水平蝕刻周期排列的CSSRR結構，如圖6所示。經仿真發現，隨著蝕刻CSSRR數量的增加，微帶天線的諧振頻率明顯降低。天線諧振頻率隨蝕刻不同數量CSSRR結構的變化情況如表1所示。

圖6 接地板蝕刻CSSRR的微帶天線

SSRR數量頻率/GHzS11/dB無5．8-40．2525．56-31．7445．31-45．3265．16-29．01

由表1可知，當蝕刻6個CSSRR結構時，微帶天線的諧振頻率從5.8 GHz降至5.16 GHz，下降了0.64 GHz。在此基礎上，調整輻射貼片的大小，使天線重新工作在5.8 GHz。通過仿真優化，天線的貼片尺寸由原來的15.7 mm×11.34 mm降至12 mm×9.27 mm，天線的尺寸相應縮小了37.52%，實現了微帶天線的小型化。

傳統天線和小型化天線回波損耗(S11)參數仿真結果對比如圖7所示。結果表明，傳統天線相對帶寬為14.67%，反射系數最小值為-40.25 dB；小型化天線相對帶寬為17.34%，反射系數最小值為-45.78 dB。小型化前后帶寬略有增加，回波損耗稍有下降，天線的性能有所優化。微帶天線小型化前后輻射方向圖的仿真結果對比如圖8所示。

圖7 微帶天線的S11仿真結果

(a) E面方向圖

(b) H面方向圖 圖8 微帶天線輻射方向圖

由圖8中可知，傳統天線的峰值增益為4.84 dBi，小型化天線的峰值增益為4.17 dBi，增益有稍許降低；另外，小型化天線的后向輻射較傳統天線略有增加，主要由輻射功率從接地板上縫隙漏射造成。總體來說，小型化天線的方向圖還是比較理想的，這些變化都在天線的正常工作范圍內。

4 結束語

本文設計了一款新型基于LHM的微帶天線，通過在天線接地板上蝕刻周期性的CSSRR結構，利用LHM的相位補償特性，達到減小尺寸的目的。利用電磁仿真分別分析了CSSRR的特性和天線的性能。仿真結果表明，所設計的天線與傳統微帶天線的尺寸相比減小了37.52%，而且相對帶寬有了一定的提高，天線的輻射性能基本不變。可見，LHM在實現天線小型化上具有良好的應用前景。

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MiniaturizationDesignofMicrostripAntennasBasedonLeft-handedMaterial

SUN Ye,ZHAO Wenmei,LIU Shuo,CHENG Yongxia

(CollegeofElectronic,CommunicationandPhysics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

A method of miniaturization of microstrip antennas based on left-hand material is proposed to meet the demand of miniature antennas in mobile communications.At the resonant frequency of 5.8 GHz,the Circular Single-Split Ring Resonator (CSSRR) is loaded on the ground to break the shackles of the traditional microstrip antenna due to half-wave electrical-dimension.Miniaturization of the microstrip antenna is achieved by the phase compensation using backward wave characteristics of left-handed material.By using HFSS software,the electromagnetic characteristics of CSSRR structure and the performance of miniaturized antennas are analyzed.The results show that compared with the conventional microstrip antenna,the size of the radiation patch of the miniaturized antenna is reduced by 37.52%,the bandwidth is increased slightly,and the parameters such as gain are almost unchanged.Moreover,the miniaturized microstrip antenna has the advantages of simple structure and easy implementation.

left-handed material；microstrip antenna；miniaturization；CSSRR；return loss

2017-09-11

山東省自然基金資助項目(ZR2013FM018)；青島科技計劃項目(13-1-4-132-jch)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.12

孫燁,趙文美,劉碩,等.基于左手材料的微帶天線小型化設計[J].無線電工程,2018,48(1):55-58.[SUN Ye,ZHAO Wenmei,LIU Shuo,et al.Miniaturization Design of Microstrip Antennas Based on Left-handed Material[J].Radio Engineering,2018,48(1):55-58.]

TN820

A

1003-3106(2018)01-0055-04

孫燁男，(1992—)，就讀于山東科技大學電子通信與物理學院，碩士研究生。主要研究方向：微波技術及微帶天線技術等。

趙文美女，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：微波技術及微帶天線技術。

劉碩女，(1992—)，碩士研究生。主要研究方向：微波技術及微帶天線技術。

程永霞女，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：微波技術及微帶天線技術。