基于复合左右手传输线的频率可调节天线

李清栋,冯全源

(西南交通大学信息科学与技术学院,四川成都 610031)

0 引言

随着便携无线通讯设备朝着小型化、多功能的方向发展,无线设备的有限空间限制了天线的尺寸和设备的功能,也对天线设计提出了更高要求。天线设计中的这些挑战可以通过天线的小型化,宽带化和天线性能参数可调节、可重构等方式来解决,可调节、可重构天线可以在有限的空间内提供多重功能,如频率、辐射特性等参数的可调节、可重构[1]。近些年来广大科研人员对天线的小型化,宽带化[2],可调节、可重构[3-4]进行了广泛的研究。

由于频率可调节可达到频谱有效利用的目的,很多学者在频率可调节天线领域进行了研究。学者们通过具有加载MEMS开关、可调电感、可调电容等手段实现了天线工作频率可调节(重构),但却存在着天线尺寸过大、实现困难等缺点[5-7]。近年来,随着超材料(Metamaterial)相关理论的进一步研究,尤其是复合左右手传输线(CRLH TL)[8-9]理论的广泛研究为天线设计注入了新的设计理念和活力[10-11]。韩国学者Jaehyurk Choi等人通过超材料结构上加载不同类型传输线等方式实现了两个频率点处的工作频率重构,但存在着重构方式不便,无法实现工作频率实时可调节等缺点,局限性非常明显[12]。为此,在总结前人工作的基础上[13-14]本文提出了一款基于复合左右手传输线的频率可调节天线。

1 复合左右手传输线理论及其应用

复合左右手传输线是这样一类传输线,当电磁波在该传输线中传播时,在某个频率范围内其传播特性呈现“左手特性”,即其等效介电常数和等效磁导率同时为负值,电场、磁场和波矢量遵从左手定则。复合左右手传输线拥有许多奇异的性质,比如支持后向波(群速度和相速度相反)、在某些频率处支持无限波长等。图1是复合左右手传输线在无损情况下的等效电路结构单元。

图1 复合左右手传输线结构单元Fig.1 Unit-cell of CRLH TL

图1 中,Lr、Cl、Ll、Cr分别为串联的右手电感 、串联的左手电容、并联的左手电感和并联的右手电容。

根据布洛赫-弗罗盖定理,该传输线单元的色散曲线可以用下式来表示:

式中,d为复合左右手传输线单元结构的长度。

通常情况下串联谐振频率和并联谐振频率并不一致,所以存在两个非零谐振频率处使得β=0,即在该频率点处支持无限波长。

当N个这样的单元结构串联时,谐振模式数n与β满足如下关系:

在这里n可以为任意整数,在n等于0时,即传输线工作在零阶谐振状态下时,这个N单元复合左右手传输线结构支持无限波长且其谐振状态是不依赖复合左右手传输线自身尺寸的,可以根据这个特性实现天线的小型化。当传输线处于零阶谐振状态时,整个传输线上的电流(电压)的分布呈现一致的状态,这样传输线结构上的阻抗损耗比较小。由于传输线工作在零阶谐振状态下时其尺寸不依赖复合左右手传输线的自身尺寸,而是由等效电路的相关等效参数决定,因此可以通过调节等效参数来实现天线的工作频率可调节。

2 天线结构及分析

本设计采用的天线结构如图2所示。

图2 天线结构示意图(单位:mm)Fig.2 Structure of antenna

基板采用Taconic RF-35(tm),相对介电常数εr=2.17,损耗角正切值tanδ=0.001 8,基板尺寸为15 mm×15 mm,厚度为0.8 mm。采用微带线对天线进行馈电,在天线的底部通过加载的变容二极管的方式来实现天线工作频率的实时可调节。

该天线的等效传输线模型如图3所示。

图3 等效CRLH TL单元示意图Fig.3 Equivalent unit-cell of CRLH TL

图3 中,C s◦ΔC/(C s+ΔC)为底层金属片与地之间的寄生电容以及加载的可变电容的等效电容,将其表示为C equ。

根据传输线相关理论,其谐振频率可以近似表示为:

从公式可以看出谐振频率将会随着C equ的增大而减小,动态的改变变容二极管的电容值就可以达到天线工作频率连续可调的目的。

3 仿真结果及分析

在仿真的过程中,令变容二极管的电容在0.315～4.900 pF之间变化,分别选取了7个电容值(即C1=0.261 pF,C2=0.381 pF,C3=0.465 pF,C4=0.533 p F,C5=0.727 pF,C6=1.768 pF,C7=5.473 pF)来考察其仿真结果,其S11参数如图4所示。

图4 天线的S11仿真结果Fig.4 Simulation Results of S11

从天线的S11参数仿真结果可以看出当变容二极管的电容从C1—C7之间变化时谐振频率将会在2.723～1.986 GHz(S11＜-10 dB)之间的 737 MHz频段内连续变化,并且随着电容值的增大谐振频率呈下降趋势,这与理论分析是相符的。当变容二极管的电容值持续增大时,天线的谐振频率将会变化甚微,符合反比例函数的性质。表1列出了典型电容值处的详细仿真结果。

表1 典型电容值处的详细仿真结果Tab.1 Detail results of representative capacitance values

从表1可以看出天线的性能变化集中体现在电容从0.261～1.768 pF变化之间。图5展示了天线工作在2.388 GHz和2.442 GHz处的 E面方向图,从图中可以看到在改变变容二极管的过程中,天线的辐射方向图只有轻微的连续变化,符合频率可调节天线的要求。

图6是天线谐振在2.388 GHz时的表面电流分布情况,从图中可以看出传输线贴片表面电流的幅度分布在宏观上是基本一致的,表面电流集中分布在底部的细辐射条带上。当变容二极管的电容变化天线工作在其它频率时,也可以看到类似的电流分布。

图5 E面方向图Fig.5 E_Plane Radiation Pattern

图6 天线电流分布示意图Fig.6 Current distribution of antenna

4 结论

本文提出了一款基于复合左右手传输线理论的频率可调节天线的设计。通过加载变容二极管的方式来实现天线工作频率的实时可调节。全波仿真结果表明:该天线在S波段的可调节范围超过了700 MHz(S11＜-10 d B),天线的尺寸仅有15 mm×15 mm×0.8 mm,符合现代通讯设备对天线小型化的要求,具有一定的理论意义和广阔的应用前景。

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