螺旋谐振器构成的新颖左手移相单元设计

逯 科,王光明,徐 彤,徐海洋

（1.空军工程大学导弹学院防空导弹微波应用实验室,陕西三原713800;2.空军工程大学导弹学院制导雷达教研室,陕西三原 713800）

螺旋谐振器构成的新颖左手移相单元设计

逯 科1,王光明1,徐 彤2,徐海洋1

（1.空军工程大学导弹学院防空导弹微波应用实验室,陕西三原713800;2.空军工程大学导弹学院制导雷达教研室,陕西三原 713800）

提出了由螺旋谐振器构成的新颖非对称非直连形式左手移相单元,目前此类左手移相单元是实现低剖面单极子天线的关键器件。利用全波电磁仿真工具,对非对称非直连单元和已经提出的对称直连单元、对称非直连单元进行了比较研究。结果表明,非对称非直连单元比对称直连单元插损特性好,而且其相位特性在很宽的频带内非常相似;上述两种单元比对称直连单元表现出更明显的左手效应。

螺旋谐振器;左手移相单元;低剖面单极子

1 引 言

左手材料的理论设想从1999年被实验验证并实现以来,在近10年的时间里,在人工电磁材料、光学和微波等领域取得了丰硕成果[1]。作为左手材料研究的重要分支,微波领域的研究集中于将左手单元的奇异电磁特性应用于微波器件,实现性能改进,比如利用CSRR（Complementary Split Rings Resonator）结构实现高性能微波电路[2],应用于微带天线特性改进[3]。双螺旋谐振器是近年来提出的一种新型左手结构,学术界对其基本特性已有初步研究,该结构的应用研究也已展开[4,5]。与右手传输线的线性相位特性不同,左手单元组成的传输线具有非线性的相位特性,并且在特定频段会表现出正相移、零相移特性。利用这些奇异的相位特性可以大大减小单极子、环天线和折合振子天线的物理尺寸,实现低剖面结构[6,7]。作为研究思路的自然延伸,利用由螺旋谐振器构成的新型左手单元的奇异相位特性实现单极子或折合振子天线低剖面特性改进也引起了极大的关注,目前已有研究人员利用双螺旋谐振单元实现了高度只有1/9波长的折合振子天线[8]。本文研究了基于螺旋谐振器的3种不同左手单元的特性,这些单元是实现低剖面单极子的关键。利用全波仿真手段对3种单元的电磁特性进行了比较研究,并对其实现低剖面特性的规律进行了分析评估。

2 基于左手单元实现单极子低剖面技术简介

传统单极子天线长度是中心频率下波长的四分之一,利用终端开路条件,在金属导线上建立同向谐振电流,从而形成有效辐射。由于谐振天线的谐振属性,传统单极子天线有效带宽较窄,并且在较低频率的应用中存在尺寸较大的问题。目前,利用左手单元改进单极子和折合振子尺寸的主要研究思想可以概括如下:利用左手单元奇异的相位特性,可以用较小的物理尺寸实现较大的相移,从而可以改变导线上的电流分布,使得单极子弯折后平行导线上电流同向,保持辐射特性不改变,从而实现低剖面特性[6-8]。文献[6]利用集总电容、电感元件实现了左手移相网络,其天线及左手单元具体结构如图1所示。

图1 文献[6]中天线结构及左手单元结构Fig.1 The structure of antenna and the left-handed cell in reference 6

文献[7]利用金属带线和集总电容元件构建了左手移相网络,实现了低剖面的环天线,该天线结构和左手单元结构如图2所示。

图2 文献[7]中天线结构及左手单元结构Fig.2The structure of antenna and the left-handed cell in reference 7

文献[8]设计了完全用分布参数元件实现的左手单元,并实现了低剖面天线结构,其天线结构和左手单元结构如图3所示。该天线利用螺旋谐振结构实现了左手移相单元,该结构单元是分布参数元件,并且整个单元的尺寸较小,适用于较低频率的微波工程应用。

图3 文献[8]中天线结构及左手单元结构Fig.3The structure of antenna and the left-handed cell in reference 8

通过对上述技术的总结分析可以看出,左手移相单元是实现天线低剖面的关键。文献[6,7]都在左手单元中使用了集总参数元件,使得这些单元很难应用于高频场合。而文献[8]完全使用的是分布参数元件,但仅仅探讨一种结构,相关研究并没有全面展开。

3 基于螺旋谐振器左手单元设计

除文献[8]采用的单元结构外,利用螺旋谐振单元还可以构建其它形式的左手单元,它们的电磁特性存在共性的地方,也因为具体几何结构的差异导致某些特性的不同,深入研究这些单元的电磁特性对于设计更加出色的左手单元和天线结构具有非常重要的意义。本文对基于螺旋谐振器的左手单元进行了设计和分析。上述单元的结构具体如图4所示,图中dx表示单元长度,dy表示单元宽度,w表示螺旋线宽度,dis表示螺旋线间距。

图4 基于螺旋谐振器的左手单元结构Fig.4 The structures of the left-handed cells based on spiral resonantors

为比较研究方便,各单元采用相同的尺寸。考虑到仿真建立端口的需要,在所有单元左右两侧附加了两段长3 mm的微带线,附加微带线长度不计入dx。仿真中,各单元均采用两圈螺旋结构,采用介电常数为2.2、厚度为1.5 mm、正切损耗为0.001的介质基板,并考虑单元宽度和50 Ψ微带线宽度的一致性,经过仿真优化,各部分尺寸分别为dx=9 mm,dy=4.2 mm,w=0.5 mm,dis=0.5 mm。

4 单元特性比较分析

根据已有的研究工作,选择低剖面单极子的移相单元,必须对其插损特性和相位特性做出综合权衡。插损特性和相位特性是移相单元研究关注的重点。因此,利用全波电磁仿真工具HFSS对上述3个单元进行仿真,得到其插入损耗特性和S21相位特性分别如图5和图6所示。

图5 3个单元插入损耗特性比较Fig.5 The comparison of the insert loss character of the given three units

图6 3个单元S21相位特性比较Fig.6 The comparison of the phase character of the given three units

从图中结果来看,在dx、dy、w、dis等几何参数保持一致的前提下,对称直连单元和非对称非直连单元在0.1～4 GHz频段内存在插损特性较好的频点,而对称非直连单元在0.1～4GHz的整个频段内插损特性都比较差,均小于-7 dB。通过仿真实验可知,对称非直连单元的插损特性可以通过几何参数优化对插损特性进行一定程度的改进。从图5可知,对称直连单元的插入损耗特性和非对称非直连单元的插入损耗特性并不一致,对称直连单元在1～2.5 GHz频段内都具有良好的插入损耗特性,表现出低通特性。定性地分析表明,由于该结构在两个螺旋结构间有直接的金属连接,在低频段也可以保证电流通过;而非直连单元都是通过电磁耦合效应实现电流传输,在低频段传输特性必然会降低。非对称非直连单元则在约3.5 GHz频点处谐振,插损特性最优。

进一步考虑3个单元的相位特性。从图6所示的仿真结果来看,在1～3.5 GHz频带内,对称非直连单元与非对称非直连单元的相位特性非常相似。对两个单元部分低频频点相位特性曲线的局部放大,也证明两者相位特性相似性是很大的。同时必须注意到,对称非直连单元和非对称非直连单元的相位在1～2.8 GHz的频带范围内为正,这是两个单元存在左手特性的直接证明。相比之下,对称直连单元则仅在0.1～0.3 GHz范围内具有正相位值,但值均比较小。文献[4,5]对对称直连结构的左手特性已做出证明,并考虑仿真中附加微带线引入的右手效应对左手效应的抵消,可以认为该结构也是左手单元。非常明显的是,对称非直连单元和非对称非直连单元的左手效应要远强于对称直连单元。在3.5 GHz之后的频点,各个单元的相位均出现了较大幅度的变化,可以定性认为是高频寄生参数影响加剧所致。由于规律性较差,在工程实践中,这部分特性不做考虑。

综上所述,根据各单元的特点,可在较低频率的情形下,考虑利用对称直连单元实现相移网络。在较高频率应用场合,可以考虑使用非对称非直连单元,除了良好的插损特性,该结构还可以实现正相移和零相移,这是传统右手传输线不可能实现的。

5 结 论

目前,利用左手单元奇异相位特性的单元是实现振子天线低剖面的关键元件。本文提出了一种新颖的由螺旋谐振器构成的非对称非直连左手移相单元。该单元完全由分布元件实现,克服了一些传统的、由集总元件构成的左手移相单元的缺陷。利用全波电磁仿真工具,构建了大致相同的对比条件,对非对称非直连单元和已经提出的对称直连单元、对称非直连单元的插损特性和相位特性进行了比较研究。通过对各单元插损特性和相位特性的综合考虑可知,非对称非直连单元表现出较好的插损特性和明显的左手效应,是适合应用于低剖面单极子天线的新型左手移相单元。该单元可以进一步改善振子天线的低剖面特性。在今后的工作中,需要进一步研究各单元电磁耦合的物理机理,深入探讨造成各单元特性差异的内在因素,建立完善的理论分析模型。

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[4] Yunchuan Guo,George Goussetis,Alexandros P Feresidis,et al.Efficient Modeling of Novel Unip lanar Left-Handed Metamaterials[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53（4）:1462-1468.

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Design of Novel Left-handed Phase-shift Cell Composed of Spiral Resonators

LU Ke1,WANG Guang-ming1,XU Tong2,XU Hai-yang1
（1.Microwave Laboratory,Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China;2.Radar Engineering Department,Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China）

A novel unsymmetrical indirectly-connected left-handed phase shift cell composed of spiral resonators is proposed and this kind of left-handed phase-shift units are the key components to realize low-p rofile monopoles.With the help of full-wave simulation tool,symmetrical directly-connected cell,symmetrical indirectly-connected cell and unsymmetrical indirectly-connected cell are comparatively studied.The results indicate that the insert loss character of unsymmetrical indirectly-connected cell is better than that of symmetrical indirectly-connected cell and the phase properties of these two units are similar in quite broad frequency band.In addition,the left-handed effect of the above-mentioned two units ismore obvious than that of symmetrical directly-connected cell.

spiral resonator;left-handed phase-shift cell;low-profile monopole

The National Natural Science Foundation of China（No.60971118）

TN602

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.017

1001-893X（2011）02-0085-05

2010-11-19;

2010-12-14

国家自然科学基金资助项目（60971118）

逯 科（1983-）,男,山西朔州人,分别于2006年和2009年获空军工程大学学士学位和硕士学位,现为空军工程大学博士研究生,主要研究方向为新型左手材料设计及其应用;

LU Ke was born in Suozhou,Shanxi Province,in 1983.He

the B.S.degree and the M.S.degree from Air Force Engineering University in 2006 and 2009,respectively.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns the design and application of metamaterials.

Email:look luna@126.com

王光明（1964-）,男,安徽砀山人,分别于 1982年和1990年获空军导弹学院学士及硕士学位,于1994年获电子科技大学博士学位,现为空军工程大学教授、博士生导师,主要研究方向为天线与毫米波电路、电磁兼容、电磁散射与逆散射等;

WANG Guang-ming was born in Dangshan,Anhui Province,in 1964.He received the B.S.degree,the M.S.degree from Air Force Missile Institute and the Ph.D.degree from University of Electronic Science and T echnology of China in 1982,1990 and 1994,respectively.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.H is research interests include antenna and millimeter wave circuit,EMC,scatter and inverse scatter of electromagnetic wave,etc.

徐 彤（1978-）,男,陕西三原人,分别于2000年和2003年获空军工程大学学士学位和硕士学位,现为空军工程大学讲师,主要研究方向为高速信号处理;

XU Tong was born in Sanyuan,Shaanxi Province,in 1978.He received the B.S.degree and the M.S.degree from Air ForceMissile Institute in 2000 and 2003,respectively.He is now a lecturer.His research direction is high speed signal processing.

徐海洋（1983-）,男,四川广安人,分别于2006年和2009年获空军工程大学士学位和硕士学位,现为空军工程大学博士研究生,主要研究方向为天线、电磁兼容与电波传播。

XU Hai-yang was born in Guang′an,Sichuan Province,in 1983.He received the B.S.degree and the M.S.degree from Air Force Engineering University in 2006 and 2009,respectively.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research interests include antenna,EMC and wave propagation.