小型多頻化復合左右手結構天線的研究

劉明鑫 鄒 林 唐 斌

1(成都航空職業技術學院通用航空學院 四川 成都 610100)2(電子科技大學信息與通信工程學院 四川 成都 611731)3(四川省高等學校校企聯合“航空電子技術”應用技術創新基地 四川 成都 610100)

0 引 言

隨著現代化信息技術的不斷發展，微帶天線的設計方向朝著小型化、多頻帶和寬帶化發展。因此，設計一款能夠在多個頻帶中實現輻射且體積較小的天線越來越受到廣大應用者的青睞。目前，復合左右手結構的傳輸線通過左手材料結合傳統右手傳輸線實現，成為微波天線領域的一個研究領域[1]。同時，復合左右手傳輸線結構被應用在多個微波無源和有源的器件上面，例如濾波器、天線、功分器和雙工器等。本文旨在利用復合左右手結構進行多頻帶、小型化天線的設計，通過在天線上加載具有復合左右手結構的曲折線和交指結構，能夠在傳統的右手傳輸線上面加載左手特性，實現天線的輻射頻段覆蓋Wi-Fi/WLAN/WiMAX等多個通信領域的頻段上[2-3]。

本文所設計的天線采用曲流技術來實現天線的小型化結構設計，同時還將在天線上加載交指結構和金屬化過孔，實現天線復合左右手結構功能，使其能夠覆蓋頻率包括Wi-Fi(2.400～2.484 GHz)、WiMAX(3.3～3.8 GHz)和WLAN(5.150～5.825 GHz)三個頻帶。測量結果表明，天線的匹配特性較為良好，仿真和測量的方向圖基本一致，符合理論推導。

1 復合左右手傳輸線基本原理

1.1 分組和源信號的分段表示

復合左右手傳輸線(Composite Right/Left-Handed Transmission Lines,CRLH-TLs)是將左手材料的結構單元加載在傳統的右手傳輸線上而形成的。近年來復合左右手微帶天線得到迅速發展，應用價值得到了越來越多研究學者的認可，也得到了廣泛的重視和較多的研究討論。復合左右手結構目前主要是用于電磁微波領域的無源結構部分，例如功分器、濾波器、天線、雙工器等設計中[4-7]。圖1為傳統的右手傳輸線、左手傳輸線和復合左右手傳輸線的等效電路模型，為了簡化模型，本文采用無耗模型進行分析。圖1(a)是由單位長度的串聯電感LR和并聯電容CR組成純右手傳輸線；(b)是由單位長度的串聯電容CL和并聯電感LL組成純左手傳輸線；(c)是結合左手傳輸線結構和右手傳輸線結構，共同構成復合左右手傳輸線結構[8-10]。

圖1 右手、左手和復合左右手傳輸線等效電路模型

復合左右手傳輸線的相位常數β關于頻率ω的色散關系如圖2所示，其中：c為光速；ωse是復合左右手等效電路的串聯諧振頻率；wsh是復合左右手等效電路的并聯諧振頻率?？梢钥吹阶笫謪^域和右手區域的傳輸常數分別在各自的區域是連續的，但是它們部分之間存在一個阻帶，在小于ωse和大于ωsh的區域相位常數β為零，即在這個頻帶內是處于截止的狀態(ωse≠ωsh)，這被稱為不平衡結構。通過調節電路中的元件參數值使ωse=ωsh，能使傳輸線工作于一種平衡狀態，此時整個有效頻段都將處于一個通帶范圍內，這被稱為平衡結構[1]。

圖2 相位常數關于變化頻率的色散關系圖

1.2 復合左右手結構天線設計

本文所設計的天線是加載了曲折微帶貼片的單極子天線，采用FR4介質基板。該基板厚度為1 mm，相對介電常數為4.4，介質損耗角正切為0.025，通過50歐姆的微帶線給天線饋電。圖3是天線的正面和背面物理尺寸圖和示意圖，表1為物理尺寸的具體參數。該天線是一個基于復合左右手材料單元的單極子曲折線構成的三頻帶的微帶天線，復合左右手結構加載到曲折線的微帶天線上面使得天線的諧振頻點增加、頻帶帶寬增加、交叉極化減小。天線加工的實物如圖4所示。

圖3 天線正面及背面尺寸圖

表1 天線尺寸參數表

圖4 天線的物理尺寸圖

天線的等效電路如圖5所示，其中左手串聯電容CL由印制在曲折微帶線上的交叉指型的微帶縫隙產生，左手并聯電感LL由接地金屬柱產生。另外交指微帶線和介質底部的金屬貼片也構成了電容Cg，Cg也是左手電容的構成部分之一，Cg、CL、LL共同構成了復合左右手CRLH單元結構的左手部分。右手并聯電容CR由上層金屬片和底部金屬產生，右手并聯電感LR由電流流過的細小的金屬微帶產生。

圖5 復合左右手單元的等效電路圖

圖6為該天線的復合左右手單元結構，包括左手交指電容、左手接地電感、右手電容、右手電感，該模型建立在FR-4介質基板上，基板的厚度是1 mm。通過Ansoft HFSS建立矩形結構的單元模型，式(1)表示參數S和相位常數之間的關系，仿真分析得出該復合左右手單元結構的色散特性。其中P為復合左右手單元結構的長度，該結構的尺寸與天線的尺寸完全相同。

(1)

圖6 復合左右手單元結構的正面和背面

圖7為復合左右手單元色散曲線圖?？梢钥吹?，該結構的左手區域的范圍是1～2.3 GHz、4.2～6.5 GHz，右手區域的范圍是2.6～3.9 GHz。復合左右手天線在左手區域頻帶的輻射的方向圖是后向輻射，在右手區域頻帶的輻射的方向圖是前向輻射，而在平衡區域輻射的方向圖是垂直天線軸向輻射。

圖7 復合左右手單元色散曲線圖

本文所設計的天線尺寸是30×30×1.6 mm(0.3λ×0.3λ×0.016λ，λ為中心頻率的波長)，相比于其他傳統的微帶天線(尺寸是0.5λ的長度)，本文天線的尺寸明顯減小。實現天線小型化的原因是采用曲流技術和復合左右手單元的零階諧振結構兩種方法相結合的方式，是加載超材料單元的單極子電小尺寸的微帶天線。

2 仿真和測量

圖8是天線在矢量網絡分析儀器Agilent E8363C的測量反射系數S11的圖像，天線的-10 dB測量的反射系數帶寬是2.3～2.6 GHz、3.1 ～4.5 GHz、5.1～5.9 GHz，工作帶寬超過83%。從仿真和測量的結果圖來看，加載復合左右手單元結構的天線帶寬相對寬，兩者的結果較為吻合，但是仍然有一些偏差，在第二個和第三個諧振測量的諧振頻點都比仿真的諧振頻點要高一些，產生這種現象的原因可能是加工的介質基板的高度發生變化或者是加工的精度存在問題。

圖8 天線的仿真和測試結果圖

圖9為本文所設計的天線分別在各個諧振點上的電流分布和天線輻射的遠場方向圖。通過對天線的電流分析可以得到，在天線的第一個諧振頻點上，電流分布主要是分布在單極子主體的水平方向上，根據經典天線設計理論，可知天線的輻射方向圖是“蘋果形狀”。另外，天線在水平方向上的電流幅度較大，相位相同，所以水平方向上電流輻射出來的電場是主極化方向，而垂直方向上的電流幅度較小，相位相互抵消，所以垂直方向上的電流輻射出來的電場是交叉極化方向。同理，在天線的第二個和第三個諧振頻點上，天線在垂直方向上的電流幅度較大，相位相同，所以垂直方向上的電流輻射出來電場的是主極化方向，而水平方向上的電流幅度較小，相位相互抵消，所以水平方向上的電流輻射出來電場的是交叉極化方向，這就是天線在第一個和第二、第三個諧振點的極化方式不同的原因。

圖9 天線表面電流分布圖和3D遠場方圖

表2為應用在Wi-Fi/WLAN/WiMAX頻帶上的不同天線形式的指標對比。通過對不同的參考文獻中的天線性能進行比較，可以看到這些天線普遍存在的問題是天線的尺寸太大，不利于小型化集成的設計，天線的相對帶寬較窄，文獻[8，11-12]的增益在高頻帶相對較高，但是帶寬很窄；文獻[9]的帶寬相對較寬，但是天線的尺寸較大。綜合天線的尺寸小型化設計和相對帶寬設計考慮，本文天線的性能有明顯的提高，具有更好的應用價值。

表2 各天線性能對比

3 結 語

本文將傳統的交指型的復合左右手天線和曲流技術相結合，克服原有微帶天線尺寸較大、頻帶不寬的特點，設計了一個三通帶、寬帶的單極子天線。由于加載超材料增加了阻抗匹配的特性，該天線的測量結果與仿真結果較為吻合，而且天線的輻射特性較好，完全可以應用在未來的無線通信的設備中。