劉明鑫 鄒 林 唐 斌

1(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院通用航空學(xué)院 四川 成都 610100)2(電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 四川 成都 611731)3(四川省高等學(xué)校校企聯(lián)合“航空電子技術(shù)”應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新基地 四川 成都 610100)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的不斷發(fā)展，微帶天線的設(shè)計(jì)方向朝著小型化、多頻帶和寬帶化發(fā)展。因此，設(shè)計(jì)一款能夠在多個(gè)頻帶中實(shí)現(xiàn)輻射且體積較小的天線越來越受到廣大應(yīng)用者的青睞。目前，復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)的傳輸線通過左手材料結(jié)合傳統(tǒng)右手傳輸線實(shí)現(xiàn)，成為微波天線領(lǐng)域的一個(gè)研究領(lǐng)域[1]。同時(shí)，復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在多個(gè)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(fù)合左右手結(jié)構(gòu)進(jìn)行多頻帶、小型化天線的設(shè)計(jì)，通過在天線上加載具有復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)的曲折線和交指結(jié)構(gòu)，能夠在傳統(tǒng)的右手傳輸線上面加載左手特性，實(shí)現(xiàn)天線的輻射頻段覆蓋Wi-Fi/WLAN/WiMAX等多個(gè)通信領(lǐng)域的頻段上[2-3]。

本文所設(shè)計(jì)的天線采用曲流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)天線的小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)還將在天線上加載交指結(jié)構(gòu)和金屬化過孔，實(shí)現(xiàn)天線復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)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(gè)頻帶。測量結(jié)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(dǎo)。

1 復(fù)合左右手傳輸線基本原理

1.1 分組和源信號(hào)的分段表示

復(fù)合左右手傳輸線(Composite Right/Left-Handed Transmission Lines,CRLH-TLs)是將左手材料的結(jié)構(gòu)單元加載在傳統(tǒng)的右手傳輸線上而形成的。近年來復(fù)合左右手微帶天線得到迅速發(fā)展，應(yīng)用價(jià)值得到了越來越多研究學(xué)者的認(rèn)可，也得到了廣泛的重視和較多的研究討論。復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)目前主要是用于電磁微波領(lǐng)域的無源結(jié)構(gòu)部分，例如功分器、濾波器、天線、雙工器等設(shè)計(jì)中[4-7]。圖1為傳統(tǒng)的右手傳輸線、左手傳輸線和復(fù)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(jìn)行分析。圖1(a)是由單位長度的串聯(lián)電感LR和并聯(lián)電容CR組成純右手傳輸線；(b)是由單位長度的串聯(lián)電容CL和并聯(lián)電感LL組成純左手傳輸線；(c)是結(jié)合左手傳輸線結(jié)構(gòu)和右手傳輸線結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)[8-10]。

圖1 右手、左手和復(fù)合左右手傳輸線等效電路模型

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

圖2 相位常數(shù)關(guān)于變化頻率的色散關(guān)系圖

1.2 復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)天線設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的天線是加載了曲折微帶貼片的單極子天線，采用FR4介質(zhì)基板。該基板厚度為1 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4，介質(zhì)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(shù)。該天線是一個(gè)基于復(fù)合左右手材料單元的單極子曲折線構(gòu)成的三頻帶的微帶天線，復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)加載到曲折線的微帶天線上面使得天線的諧振頻點(diǎn)增加、頻帶帶寬增加、交叉極化減小。天線加工的實(shí)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(shù)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(lián)電容CL由印制在曲折微帶線上的交叉指型的微帶縫隙產(chǎn)生，左手并聯(lián)電感LL由接地金屬柱產(chǎn)生。另外交指微帶線和介質(zhì)底部的金屬貼片也構(gòu)成了電容Cg，Cg也是左手電容的構(gòu)成部分之一，Cg、CL、LL共同構(gòu)成了復(fù)合左右手CRLH單元結(jié)構(gòu)的左手部分。右手并聯(lián)電容CR由上層金屬片和底部金屬產(chǎn)生，右手并聯(lián)電感LR由電流流過的細(xì)小的金屬微帶產(chǎn)生。

圖5 復(fù)合左右手單元的等效電路圖

圖6為該天線的復(fù)合左右手單元結(jié)構(gòu)，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(zhì)基板上，基板的厚度是1 mm。通過Ansoft HFSS建立矩形結(jié)構(gòu)的單元模型，式(1)表示參數(shù)S和相位常數(shù)之間的關(guān)系，仿真分析得出該復(fù)合左右手單元結(jié)構(gòu)的色散特性。其中P為復(fù)合左右手單元結(jié)構(gòu)的長度，該結(jié)構(gòu)的尺寸與天線的尺寸完全相同。

(1)

圖6 復(fù)合左右手單元結(jié)構(gòu)的正面和背面

圖7為復(fù)合左右手單元色散曲線圖。可以看到，該結(jié)構(gòu)的左手區(qū)域的范圍是1～2.3 GHz、4.2～6.5 GHz，右手區(qū)域的范圍是2.6～3.9 GHz。復(fù)合左右手天線在左手區(qū)域頻帶的輻射的方向圖是后向輻射，在右手區(qū)域頻帶的輻射的方向圖是前向輻射，而在平衡區(qū)域輻射的方向圖是垂直天線軸向輻射。

圖7 復(fù)合左右手單元色散曲線圖

本文所設(shè)計(jì)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(tǒng)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(shí)現(xiàn)天線小型化的原因是采用曲流技術(shù)和復(fù)合左右手單元的零階諧振結(jié)構(gòu)兩種方法相結(jié)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(wǎng)絡(luò)分析儀器Agilent E8363C的測量反射系數(shù)S11的圖像，天線的-10 dB測量的反射系數(shù)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(jié)果圖來看，加載復(fù)合左右手單元結(jié)構(gòu)的天線帶寬相對(duì)寬，兩者的結(jié)果較為吻合，但是仍然有一些偏差，在第二個(gè)和第三個(gè)諧振測量的諧振頻點(diǎn)都比仿真的諧振頻點(diǎn)要高一些，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是加工的介質(zhì)基板的高度發(fā)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(jié)果圖

圖9為本文所設(shè)計(jì)的天線分別在各個(gè)諧振點(diǎn)上的電流分布和天線輻射的遠(yuǎn)場方向圖。通過對(duì)天線的電流分析可以得到，在天線的第一個(gè)諧振頻點(diǎn)上，電流分布主要是分布在單極子主體的水平方向上，根據(jù)經(jīng)典天線設(shè)計(jì)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(gè)和第三個(gè)諧振頻點(diǎn)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(gè)和第二、第三個(gè)諧振點(diǎn)的極化方式不同的原因。

圖9 天線表面電流分布圖和3D遠(yuǎn)場方圖

表2為應(yīng)用在Wi-Fi/WLAN/WiMAX頻帶上的不同天線形式的指標(biāo)對(duì)比。通過對(duì)不同的參考文獻(xiàn)中的天線性能進(jìn)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(shè)計(jì)，天線的相對(duì)帶寬較窄，文獻(xiàn)[8，11-12]的增益在高頻帶相對(duì)較高，但是帶寬很窄；文獻(xiàn)[9]的帶寬相對(duì)較寬，但是天線的尺寸較大。綜合天線的尺寸小型化設(shè)計(jì)和相對(duì)帶寬設(shè)計(jì)考慮，本文天線的性能有明顯的提高，具有更好的應(yīng)用價(jià)值。

表2 各天線性能對(duì)比

3 結(jié) 語

本文將傳統(tǒng)的交指型的復(fù)合左右手天線和曲流技術(shù)相結(jié)合，克服原有微帶天線尺寸較大、頻帶不寬的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合，而且天線的輻射特性較好，完全可以應(yīng)用在未來的無線通信的設(shè)備中。