交指电容加载槽环天线研究

姜彦南 庞 靖 于新华 翁乾倩

（1.广西无线宽带通信与信号处理重点实验室，广西 桂林541004；2.桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林541004；3.桂林电子科技大学信息科技学院，广西 桂林541004）

引 言

左手材料（Left-Handed Material，LHM）的概念最先由俄国物理学家Veselago于1968年提出［1］，理论上预测了电磁波在介电系数和磁导率皆为负值的材料中传输时会出现一些特殊的电磁现象，例如逆斯涅尔折射现象［2］、逆转的施奈尔定理［3］、反向契伦柯夫辐射、后向辐射［4-5］等等.30多年后，加州大学圣地亚哥分校的Smith等人［6］，通过由铜导线和开口环构成的阵列，分别实现了负的介电常数和磁导率，验证了Veselago理论的正确性.但该结构构成的左手材料带宽较窄，损耗较大，无法广泛应用于微波领域.鉴于此，Caloz和Itoh于2002年提出了复合左右手传输线（Composite Right/Left-Handed Transmission Line， CRLH TL）理论［7］，即利用周期性电感和电容加载传输线的结构来实现左手材料.CRLH TL具有非线性相移特性，并具有较大的带宽和较低的损耗.CRLH TL中的电容电感可采用独立元件，也可采用微带线的形式实现.文献［8］利用CRLH TL的零阶谐振特性缩小了天线的尺寸，提高了天线的辐射效率.文献［9］利用交指电容构造了CRLH TL电路并将其应用到天线设计中.此外，有学者提出了简化复合左右手传输线（Simplified CRLH TL，SCRLH TL）的概念［10］，即将串联电容或并联电感去掉，但该结构依然具有非线性的相移特性.文献［11］利用该结构实现了新型零阶谐振器，但对这种简化结构在天线方面的应用研究较少.

共面波导激励槽环天线（Coplanar：Waveguide-Fed Slot-Loop Antenna，CFS-LA）［12-13］是对称结构的环天线，属于微带天线的范畴，具有易于与射频电路集成、频带宽等优点，但尺寸大限制了其在微波电路中的应用.我们提出在传统CFS-LA上采用交指电容加载的SCRLH TL结构降低天线的谐振频率，从而缩小天线的电尺寸.经过仿真和实测结果发现，该加载天线在保持增益基本不变的情况下，还具有电尺寸小、频带宽和高交叉极化比高等优点，满足了微波集成电路、微波通信系统等实际应用的要求，为共面波导激励槽环天线的广泛应用提供了新的技术途径.

1 基本理论

图1（a）所示的是等效均匀右手传输线（Right-Handed Transmission Line，RH TL）模型，图1（b）所示的是SCRLH TL单元等效电路模型.可以看出，所用的SCRLH TL模型相对于传统的RH TL模型多了CL电容左手加载.

图1（b）电路中的串联阻抗Z和并联导纳Y分别为

式中，LR、CR和CL分别是单位长度的SCRLH TL的串联分布电感、并联分布电容和串联分布电容.由Bloch-Floquet定理可得出SCRLH TL单元等效电路的相位常数

图1 TL单元等效电路模型

进而可求出长度为l的SCRLH TL单元的相移函数为［10］

由式（4）可知，改变加载电容的值可改变谐振频率.

图2给出了传统RH TL和SCRLH TL单元相移曲线.其中，ΦR表示传统RH TL的相移曲线，由传输线理论可知，它只能谐振在ω1及奇数倍频上（即3ω1，5ω1……）［13］；Φc表示SCRLH TL单元的相移曲线.可以看出，SCRLH TL具有非线性的相移特性，相较加载传统RH TL时的谐振频率3ω1而言，加载SCRLH TL时的谐振频率将下移至ω2，这就意味着缩小了天线的电尺寸.

图2 TL单元相位响应曲线

2 天线结构分析

传统CFS-LA天线的电流分布如图3所示.可以看出，天线两边的电流呈对称分布，且两路电流在末端均为最小值，因此天线可等效为两个开路传输线并联的结构.

图3 CFS-LA的面电流分布

我们综合CFS-LA和SCRLH TL的理论提出了图4（a）所示的用交指电容加载的CFS-LA天线结构，该结构的加载部分单元的等效电路模型如图4（b）所示.其中，天线外形是正方形，边长为ld，缝隙环的宽度为W，天线中心的矩形贴片边长为L；共面波导馈电部分的中心导带宽度为S，缝隙为G；天线的四个角的倒角宽度为u，在其上各加载了一个串联交指电容，交指指数为三个，每个交指的指长为lv，指宽为v.

图4 新型天线的尺寸及加载单元等效电路图

由图4（b）可以看出该模型即为图1（b）所示的SCRLH TL单元模型.其中，LR由传输线长度决定，CR由传输线的距离，即结构的W 参数决定，CL的值由交指电容的结构决定.由SCRLH TL的非线性相移特性可知，在天线的其它参数不变的情况下，可通过改变交指电容的结构，即改变CL的值达到缩小天线电尺寸的目的，而CL值的大小受指间距的影响［14］.由图5可知，当减小指间距时，天线的谐振频率也随之降低.

图5 指间距与天线谐振频点的关系

3 天线电性能分析

3.1 仿真结果分析

基于HFSS2012对天线电性能进行研究，采用的是介电常数为2.65，厚度h＝1mm的微带板，经优化得到天线的结构参数分别为：ld＝50mm，W＝3.5mm，L＝30mm，S＝2.6mm，G＝2mm，u＝3 mm，lv＝3.5mm，v＝0.3mm.为了说明该天线的电性能，图6给出了传统CFS-LA和交指电容加载CFS-LA的反射系数仿真结果；图7和图8分别给出了传统CFS-LA和新型CFS-LA在不同方位角φ上的仿真方向图.

图6 传统CFS-LA和新型CFS-LA的反射系数曲线

从图6可以看出，传统天线的谐振点在2.9 GHz，反射系数为-14dB，S11≤-10dB时的带宽为400MHz；采用周期性交指电容加载后，谐振频点由2.9GHz降至2.4GHz，下降了500MHz，天线电尺寸相应地缩小了20.8%，反射系数达到了-27dB，S11≤-10dB时的带宽为450MHz.

图7 传统CFS-LA二维方向图仿真结果

图8 新型CFS-LA二维方向图仿真结果

图7和图8结果表明，传统天线在2.9GHz的交叉极化比为14.07dB，而新型天线在2.4GHz的交叉极化比为22.24dB.此外，传统天线在2.9 GHz的最大增益为3.96dBi，新型天线在2.4GHz的最大增益为3.53dBi，二者基本一致.

3.2 实测结果分析

图9是交指电容加载和传统CFS-LA天线的实物图，我们利用矢量网络分析仪及NSI-700S-60近远场天线测量系统对它们进行了测试：实测增益为3.817dBi，与仿真结果基本一致；S参数实测与仿真结果对比如图6所示；新型天线在φ＝0°面上的实测归一化方向图如图10所示，其中实线部分是图8（b）的结果.通过实测与仿真结果对比可看出，尽管二者略有差异，但整体基本吻合.

图9 天线实物图

图10 新型CFS-LA方向图的仿真和实测结果

综上所述，交指电容加载在实现了缩小天线电尺寸目的的同时还提高了天线的交叉极化比，其电性能有了较大的提高，完全能满足实际应用的要求.

4 结 论

基于SCRLH TL理论设计了一款新型的共面波导激励槽环天线，它利用加载周期性交指电容实现了天线的电小特性.对比仿真和实测结果分析了交指电容的结构参数对天线性能的影响，和传统天线相比，交指电容加载技术不仅降低了天线的谐振频率，增宽了频带宽度，而且显著提高了天线的交叉极化比.

致谢：感谢桂林电子科技大学微波暗室管理人员李晓峰老师为测量实际数据所做的辛勤工作！

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