基于RIS的高度小型化雙頻微帶天線設計*

蒲 瑞，劉運林

（西南交通大學電磁所，四川 成都 610031）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，各種便攜式無線設備對于智能化與小型化的需求越來越高。微帶貼片天線具有低剖面、重量輕、制造成本低以及易于和電路集成等優(yōu)點，因此被廣泛用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的微帶貼片天線通常是半波諧振結構，對于便攜式和手持式無線設備而言，其體積過于龐大[1]。為了使微帶天線更好地應用于無線通信系統(tǒng)，就需要實現(xiàn)微帶天線的小型化設計。同時，為了讓天線的用途更廣，需要天線工作在多個頻帶[2]。因此，高度小型化的多頻帶微帶天線設計具有遠闊的市場應用潛力。

在微帶天線的小型化研究中，人們進行了大量的研究工作。Salih等人利用短路針與缺陷地結構來實現(xiàn)微帶天線的小型化，使得天線尺寸縮減了74%[3]，但是這種天線增益很低，在低頻時增益僅為 -1.7 dBi。Oraizi等人將Giuseppe Peano分形理論與Sierpinski Carpet分形理論共同應用于天線設計，不僅極大地縮減了天線尺寸，而且獲得了非常寬的帶寬[4]。但是，該天線結構復雜，增加了加工的難度。Shakib等人設計出了一種多層微帶天線，該天線通過加載短路墻的方式來達到縮減微帶天線的目的，利用貼片之間的電磁耦合來改善帶寬[5]。結果表明，該天線具有107.46%的相對帶寬，并且尺寸小，但是其結構不易固定，現(xiàn)實中容易損壞。Chatterjee等人利用RIS結構，設計出了一款小型圓極化天線[6]，該款天線各方面性能都較好，但是，天線尺寸縮減率小，沒有實現(xiàn)天線的高度小型化。

基于此，本文提出了一種基于RIS結構的高度小型化雙頻微帶天線。該天線通過對Giuseppe Peano分形貼片[7]進行短路針加載、在分形貼片的下方放置電抗性阻抗表面（Reactive Impedance Surfaces，RIS）結構來實現(xiàn)高度小型化，并在地面開槽來改善天線的阻抗匹配。該天線具有尺寸非常小、雙頻帶工作、增益良好、結構相對簡單以及易于固定等優(yōu)點。通過HFSS仿真表明，該天線工作在2.27～2.34 GHz、4.37～4.79 GHz頻段，在低頻段與高頻段的最高增益分別可達1.628 dBi和6.9 dBi，并且天線貼片尺寸縮減率高達69%。

1 RIS結構

PEC和PMC表面都與它們上方的天線具有強耦合，所以不適合作為天線的接地平面。為了減小耦合帶來的不利影響，Hossein Mosallaei等人首次提出了電抗性阻抗表面(RIS)結構。該結構是通過在帶有PEC接地板的介質(zhì)基板上印刷周期性貼片陣列而成，如圖1所示。RIS表面阻抗可由下面公式得到[8]：

其中：

通過這些公式，可以確定RIS結構的呈現(xiàn)感性電抗的頻段，如果天線工作頻段落在該頻段內(nèi)，便可以抵消貼片的近場電容，以提升天線性能。通過HFSS仿真，得到本文RIS結構的反射相位隨頻率變化曲線，如圖2所示。當頻率小于6.35 GHz時，RIS結構表面阻抗為感性，大于6.35 GHz時，RIS結構表面阻抗為容性。提出的天線兩個諧振頻率都小于6.35 GHz，此時RIS結構表面阻抗為感性，能有效地提升天線性能。

研究表明[9]，電抗性阻抗表面（Reactive Impedance Surfaces，RIS）結構對于提高微帶天線的阻抗帶寬非常有效，并且還能有效地減小天線尺寸，故在天線設計中引入這種結構是一種很好的選擇。

圖1 RIS結構

圖2 RIS單元的反射相位

2 天線設計

短路針加載技術與分形技術同樣能有效的實現(xiàn)天線的小型化，本設計將分形技術、RIS結構和短路針技術結合，提出了一種結構新穎的小型雙頻微帶天線，其結構如圖3所示。

所設計的天線具有兩層介質(zhì)基板和三層PCB結構，其中最上層印刷的是如圖3(b)所示的分形結構的微帶貼片，中間層印刷的是如圖1所示的由4×4的金屬貼片方陣構成的RIS周期結構，最下層是開有U型槽的地板（如圖3(c)所示，尺寸為Lg×Lg）。

兩層介質(zhì)基板都采用Rogers RO4003(tm)材料(εr=3.55)厚度分別為h1、h2。所提出的天線采用50Ω的SMA同軸探針接頭進行饋電，饋電點位于x軸軸線上，與坐標原點的距離為Fx。饋電點附近加載了一個短路針，短路針到饋電點的距離為Dx。設計天線時，在輻射貼片的饋電點位置開一圓環(huán)槽，以改善阻抗匹配。

圖3 天線結構

輻射貼片的大小為Lp×Lp，將Giuseppe Peano分形技術應用在貼片的三條邊，分形槽的長度都為LS，其中一邊的分形槽深度為WS，另外兩條邊的分形槽深度為S。需要注意的是，該天線采用的分形結構與普通的Giuseppe Peano分形貼片不同，只在其中三條邊采用分形結構，并且分形凹槽的深度不一樣。

矩形微帶天線的尺寸由諧振頻率、介質(zhì)介電常數(shù)、介質(zhì)基板厚度決定，可以由下面公式[10]計算得出：

其中，w、L分別代表貼片寬、長，f代表諧振頻率，h代表介質(zhì)板高度，εr代表介質(zhì)板的介電常數(shù)，c代表光速。在設計天線的起初，需要用該公式計算貼片尺寸。

由上面公式計算得出的尺寸只是一個粗略值，利用HFSS仿真優(yōu)化，得到了天線的各個參數(shù)值如表1所示。

表1 天線結構參數(shù)值

3 仿真與分析

通過HFSS軟件對天線模型進行仿真與優(yōu)化，并在此基礎之上對分形槽深度S以及短路針位置Dx等參數(shù)以及RIS結構與短路探針加載與否對天線性能的影響進行了分析。

如圖4所示，隨著分形槽深度S的增加，高頻段的帶寬增加、阻抗匹配越好，而低頻段幾乎不變化，并且當S=3 mm時整體性能最好。由此可見，分形槽深度S僅對天線的高頻段諧振特性有影響。如圖5所示，短路針位置變化對低頻段影響明顯，而對高頻段的影響很小。隨著Dx的減小，低頻段的阻抗匹配效果逐漸變好，這里選取Dx=3 mm為天線在低頻段性能最佳。

圖4 S對S11的影響

圖5 Dx對S11的影響

RIS結構能夠?qū)崿F(xiàn)天線的小型化并改善阻抗匹配，通過圖6可以看出，加上RIS結構后，天線的兩個諧振頻率皆有下降，這就實現(xiàn)了天線的小型化，并且諧振頻率處的阻抗匹配情況有很大改善，高頻段的帶寬增加了100 MHz?？梢?，RIS結構提高了設計天線的性能。短路針在該天線的小型化中起到了很重要的作用，圖7給出了有無短路探針加載情況下的天線諧振性能對比，可以看出短路針的作用是在2.3 GHz處引入一個新的低頻，從而實現(xiàn)天線的小型化。

圖6 RIS對天線的影響

圖7 短路針對天線的影響

設計天線的阻抗帶寬和增益如圖8所示。天線有兩個工作頻帶，分別為2.27～2.34 GHz和4.37～4.79 GHz，對應的帶寬分別為70 MHz、420 MHz。天線在低頻帶的增益平均為1.5 dBi、在高頻帶平均增益為5 dBi，對于小型化天線來說，增益良好。天線在諧振頻率處的方向圖繪制于圖9中。可見，天線在f=2.3 GHz、f=4.52 GHz時，E面和H面的主射方向都在0。附近，并且0。方向的增益都較好。

相同條件下，諧振頻率為2.3 GHz的普通矩形貼片尺寸為43mm×43mm，而本文通過結合RIS結構、Giuseppe Peano分形理論、短路針加載這三種技術，讓尺寸僅為10mm×10mm的貼片就能工作于2.3 GHz，相當于讓天線達到了69%的尺寸縮減率。

表2給出了設計的天線與其它文章中天線性能參數(shù)的比較。比較來看，設計的天線尺寸縮減率比參考文獻[11]、[12]高，具有明顯的小型化優(yōu)勢。雖然設計的天線尺寸縮減率比參考文獻[3]小了5%，但是設計天線的增益相較而言具有顯著的提升。綜合來看，本文設計的天線同時具有高度小型化、高增益優(yōu)勢。

圖8 天線的帶寬與增益

圖9 天線在諧振頻率處的輻射方向

表2 天線參數(shù)比較

4 結語

設計了一種基于RIS結構的高度小型化雙頻微帶天線。設計天線可工作于2.27～2.34 GHz和4.37～4.79 GHz兩個頻段，低頻段和高頻段平均增益分別為1.5 dBi、5 dBi，最高可達1.628 dBi、6.9 dBi。天線貼片尺寸僅為10 mm×10 mm，整體尺寸為0.24λ0×0.24λ0×0.04λ0(λ0為2.3 GHz處的自由空間波長)，具有高度小型化優(yōu)勢。