基于复合左右手传输线结构的新型微带天线

李昕昕，齐本胜

（1.河海大学物联网工程学院，常州213022；2.常州市传感网与环境感知重点实验室，常州213022）

基于复合左右手传输线结构的新型微带天线

李昕昕1，2，齐本胜1，2

（1.河海大学物联网工程学院，常州213022；2.常州市传感网与环境感知重点实验室，常州213022）

基于复合左右手传输线结构的零阶谐振理论，提出了一种新型双层结构的微带天线，仿真结果表明该天线具有比单层微带天线更小的尺寸。研究了天线各结构参数对天线特性的影响，并对各参数进行了优化仿真。仿真结果表明该天线具有全向辐射特性，与传统微带天线相比，该天线具有体积小的特点。

双层微带天线；零阶谐振；复合左右手传输线；全向辐射

1 引 言

2002年，美国加州大学洛杉矶分校的Caloz和Itoh教授提出了用传输线［1］实现左手材料的新方法，并将其命名为左手传输线。加拿大多伦多大学的Eleftheriades教授通过在传输线中周期地加载集总电感、电容元件实现了传输线的左手传输特性［2］。复合左右手传输线结构具有一些独特特性，其中的零相移特性使得人们可以利用其实现零阶谐振天线。由于零阶谐振天线的谐振频率与天线尺寸无关，仅与天线的电抗值有关，因而具有小尺寸、低损耗等优点。传统微带天线虽然具有体积小、重量轻、易于加工等优点，但还是很难满足现代通信对天线小尺寸的要求。

目前基于复合左右手传输线结构的天线研究成果有很多，例如文献［3］提出了一种双波段零阶谐振天线，文献［4］提出了一种双层混合结构的谐振天线，文献［5］提出的一种新型交指型结构的零阶谐振天线。

基于复合左右手传输线理论，提出了一种新型双层结构的微带天线。该天线的电尺寸和相对带宽分别为0.157λ0*0.18λ0*0.02λ0和1.1%，对方向图的分析表明该天线具有类单极子天线的全向辐射特性。

2 零阶谐振天线原理

根据对复合左右手传输线的研究［6］，复合左右手传输线结构单元原理图如图1（a），运用布洛赫定理有如下色散关系［7］：

式中βn（ω）为第n阶模式电磁波的相移常数、CL为串联电容、LL为并联电感、CR为并联电容、LR为串联电感、ω为角频率、P为单元长度。由式（1）和（2）可得CRLH-TL单元的色散曲线如图1（b），从色散曲线可以看出，CRLH-TL结构的相位传播常数可以为负值、零或正值。当相位传播常数为零时，天线的谐振波长趋向于无穷大，天线将不受物理尺寸限制，即所谓的零阶谐振天线或无限波长谐振天线。

图1 CRLH单元等效电路模型和色散曲线

当复合左右手传输线满足以下关系时即构成一个谐振器：

式中，βn为谐振模式n对应的相移常数，p为每个单元长度，N为单元个数。

谐振器在开放边界条件下，它的零阶谐振频率可以由下式求得［8］：

式（4）表明通过调节复合左右手传输线结构中的LL、CR两个参数可以达到控制谐振频率的目的，从而实现天线的小型化。

3 天线设计与仿真

该天线结构为改进的蘑菇状结构，如图2（a），（b）和（c）所示，它由两层形状相同的辐射贴片组成，其中每层的辐射贴片由两个同心圆环组成。左手电容（CL）主要由两个同心圆环之间的缝隙耦合实现，左手电感（LL）主要由短路针实现，右手电容（CR）主要由贴片与贴片之间和贴片与地板之间的分布电容引起，右手电感（LR）主要由辐射贴片自身的分布电感引起。

图2 天线结构图

通过利用CST Microwave Studio软件对天线优化仿真，得到的最优参数值如下：

L1＝12.97mm，L2＝6mm，L3＝0.6mm，L4＝12.5mm，L5＝13mm，L6＝17.4mm，L7＝2mm，L8＝3.5mm，L9＝40mm，L10＝35mm。天线的介质板采用Rogers公司的RT／duroid 5880，介电常数为2.2。

图3给出了天线的回波损耗曲线，由图可知，天线零阶工作模式的谐振频率为1.35GHz，绝对带宽为15MHz，因此天线的电尺寸和相对带宽分别为0.157λ0*0.18λ0*0.02λ0和1.1%。图4给出了天线在零阶谐振工作模式频率为1.35GHz下的辐射方向图，由图可以看出该天线在零阶谐振模式下的辐射方向图类似于单极子天线的辐射方向图，具有全向性，该天线可应用于短距离无线通信，尤其是对天线尺寸和稳定性要求严格的场合。

图3 天线的回波损耗曲线

图4 天线在1.35GHz时的辐射方向图

4 结论

利用CRLH-TL的零阶谐振特性，设计了一种新型双层微带天线，仿真结果表明该天线具有比单层微带天线更小的尺寸，天线电尺寸为0.157λ0* 0.18λ0*0.02λ0。天线处于零阶谐振模式时，仿真辐射方向图表明该天线具有类单极子天线的全向辐射特性，该天线可应用于短距离无线通信，尤其适用于对天线尺寸和稳定性要求严格的场合。

［1］CALOZ C，ITOH T.Application of the Transmission Line Theory of Left-handed（LH）Materials to the Realization of a Microstrip LH line［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，2（3）：412-415.

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［3］Shih-Chia Chiu，Chien-Pai Lai，Shin-Yuan Chen.Compact CRLH CPW Antennas Using Novel Termination Circuits for Dual-Band Operation at Zeroth-Order Series and Shunt Resonances［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61（3）：1071-1080.

［4］He-Xiu Xu，Guang-Ming Wang，Mei-Qing Qi.Analysis and Design of Two-Dimensional Resonant-Type Composite Right／Left-Handed Transmission Lines With Compact Gain-Enhanced Resonant Antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，2（16）：735-737.

［5］耿林，王光明，张晨新，等.基于新型复合左右手传输线的零阶谐振天线［J］.微波学报，2008，28（3）：17-20.

［6］SANADA A，CALOZ C，ITOH T.Characteristics of the composite right／left-handed transmission lines［J］.IEEEmicrowavemagazine，2004，14（2）：68-70.

［7］SANADA A，CALOZ C，ITOH T.Zeroth Order Resonance in Composite Right／left-handed Transmission Line Resonators［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，2（13），1588-1592.

［8］Caloz C，Itoh T.Electromagnetic metamaterials：Transmission line theory and microwave applications［M］.New York：Wiley，2005.

A New Microstrip Antenna Based on Composite Right／Left-Handed Transm ission Line Structure

LIXin-xin1，2，QIBen-sheng1，2
（1.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.Changzhou Key Laboratory of Sensor Networks and Environmental Sensing，Changzhou 213022，China）

Based on the zeroth-order resonance theory of the composite right／left-handed transmission line，this paper presents a new double layermicrostrip antenna，and the simulated results show that the antenna is smaller than the single layermicrostrip one.The influence of parameters of the antenna on the characteristics of the antenna is studied，and the parameters are simulated and optimized.The simulated results show that the antenna can omnidirectionally radiate at its operational frequency and has the advantages of small size and high gain comparing with the traditional ones.

Double layermicrostrip antenna；Zeroth-order resonance；Composite right／left-handed transmission line；Omnidirectional radiation

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.014

TN828.4

：A

：1002-2279（2014）04-0044-03

李昕昕（1989-），男，江苏徐州人，硕士研究生，主研方向：超介质天线设计。

2014-02-26