频带展宽的复合左右手传输线偶极子天线

曹卫平 张惠敏 李思敏 李贝贝

(1.桂林电子科技大学信息与通信学院 认知无线电与信息处理省部共建教育部

重点实验室,桂林 541004;2.广西无线宽带通信与信号处理重点实验室,桂林 541004)



频带展宽的复合左右手传输线偶极子天线

曹卫平1,2张惠敏1李思敏1,2李贝贝1

(1.桂林电子科技大学信息与通信学院 认知无线电与信息处理省部共建教育部

重点实验室,桂林 541004;2.广西无线宽带通信与信号处理重点实验室,桂林 541004)

针对周期复合左/右手(Composite Right/Left-Handed, CRLH)传输线偶极子天线带宽窄的问题,提出一种非周期CRLH传输线的天线模型.该模型主要由N个不同尺寸的LC梯形网络单元组成,实现参差调谐,改善天线的阻抗匹配,拓展天线带宽.设计了一种四单元非周期CRLH偶极子天线,模拟和实验测试结果表明:天线的长度为0.135λ0时,满足回波损耗|S11|≤-10 dB的相对阻抗带宽为8.55%,天线的匹配性能得到了改善.

非周期结构;阻抗匹配;阻抗带宽

DOI 10.13443/j.cjors.2016042701

引 言

无线通信系统要求天线小型化[1]、大容量,天线传统的小型化方法往往是以牺牲天线的工作带宽、效率等性能为代价.如何实现天线的小型化、宽带化是我们研究的主要问题.

复合左/右手(Composite Right/Left-Handed, CRLH)传输线是一种传输线形式的左手超材料,最早在2002年由美国UCLA大学的Itoh等人提出[2].因为左手传输线在实际的实现过程中会不可避免地存在寄生的右手效应,UCLA小组引入了CRLH传输线的概念[3].随着CRLH传输线技术的发展,其在天线设计领域的应用越来越广泛[4-5],由CRLH传输线结构构成的零阶谐振天线的谐振频率不再依赖谐振器的物理尺寸,左手结构零阶谐振天线的尺寸可以小于半波长,从而实现了天线的小型化[6].采用周期性结构CRLH传输线在实现电小天线的小型化方面有着其他结构天线无可比拟的优越性,但是也面临着一些问题:天线的辐射效率很低、带宽很窄.文献[7]所设计的基于CRLH传输线的偶极子天线带宽仅为1%,文献[8]所设计的偶极子天线带宽更窄,仅为0.2%.

针对周期性CRLH传输线偶极子天线带宽拓展范围的局限性,文中提出了一种非周期CRLH传输线偶极子天线,对比周期CRLH传输线偶极子天线的仿真结果,四单元的非周期CRLH传输线偶极子天线的阻抗带宽得到了很好的拓展.

1 CRLH传输线的基本理论

CRLH传输线是指当电磁波在该传输线中传播时,在某个频率范围内呈现“左手特性”,在其他频率范围内呈现“右手特性”的传输线.

纯右手分布式传输线谐振器,当谐振器的物理长度为l时,其谐振频率ωn(以下用βn表示)与半波长或电长度θn存在如下的关系[9]:

(1)

由于纯右手分布式传输线谐振器的电长度θn一定为正值,因此谐振阶数n也只能为正值,即n=+1,+2,…,+∞.

对于CRLH传输线谐振器,由于其色散曲线存在β=0(临界频率点)和β<0(左手特性频段),因此存在零阶和负数阶谐振模式[9],公式(1)改为:

(2)

式中,n=0,±1,±2,…,±∞.

当CRLH传输线由N个LC梯形网络单元组成时,其各阶谐振频率可由式(3)求得:

β(ω)=nπa/L=nπ/N.

(3)

式中：n=0,±1,±2,…,±∞为谐振模式;L为N单元CRLH谐振器的总长度.

CRLH传输线的谐振模式为负值时,谐振频率点随谐振模式|n|的增加而减小,即在不改变其物理尺寸的情况下工作频率点减小,基于CRLH传输线的偶极子天线就是利用CRLH传输线这一特性来实现天线小型化的.

2 周期CRLH传输线偶极子天线的分析与设计

2.1 基于周期CRLH传输线的偶极子天线原理

CRLH传输线偶极子天线相当于一段终端处于开路状态的CRLH传输线,模型图如图1所示.

图1 基于CRLH传输线偶极子天线的模型

CRLH传输线单元结构由两根平行的金属圆柱导线组成,两根平行圆柱导线之间加有金属短截线产生并联电感,其中一根圆柱是由三个小圆柱构成,小圆柱之间的缝隙加有介电常数为4.4的聚四氟乙烯圆柱,产生两个串联电容,天线的馈电端口加在由小圆柱组成的金属圆柱导线上,这种馈电方式可以使两平行金属导线上的电流方向相反且幅值不相等,从而可以产生辐射[10].

由于平行的金属圆柱导线本身存在右手特性,所以CRLH传输线偶极子天线呈现CRLH传输线的特性,其单元等效电路如图2所示.

图2 CRLH传输线偶极子天线单元的等效电路

图2中,a为单元的物理长度,Δθ为周期单元的电长度,由小金属圆柱之间的缝隙产生的串联电容CL和由金属短截线得到的并联电感LL构成了左手传输线部分,金属圆柱导线本身产生的分布串联电感LR和并联电容CR构成右手传输线部分.

2.2 周期性CRLH传输线的偶极子天线仿真结果分析

四单元的CRLH传输线偶极子天线的模型如图1所示,天线单元尺寸圆柱半径r1=6.5 mm,圆柱高度a1=2.5 mm,圆柱高度a2=5 mm,短截线半径b=0.35 mm,短截线长度d=18.5 mm.金属圆柱之间的缝隙尺寸g由1.2 mm逐渐增大至1.8 mm时,偶极子天线的反射系数如图3所示.

图3 CRLH传输线偶极子天线反射系数仿真结果

理论上四单元的CRLH传输线应存在n=-1和n=-3两个负数阶模式.从图3可以看出:当g=1.2 mm和1.4 mm时,两个谐振频率点逐渐远离,显现为两个谐振频率点,出现了阻抗不匹配的问题;将缝隙的尺寸调整到g=1.6 mm时,两个谐振频率点相互靠近发生“融合”,在一定程度上实现了天线带宽的拓展;当g=1.8 mm时,由于两个模式靠得非常近,两个谐振频率点重叠在一起,只显现出一个谐振频率点.

四单元CRLH传输线偶极子天线仿真选取的参数为g=1.6 mm,d=18.5 mm,b=0.35 mm,天线反射系数仿真结果如图4所示.从图4可以看出,天线仿真得到两个谐振频率点分别为f-1=811.7 MHz和f-3=791.1 MHz,中心频率f0=806.8 MHz,此时天线的阻抗带宽为51 MHz(频率为780.6～831.6 MHz),相对带宽为6.3%.

天线在各阶谐振频率点处的二维方向图如图5所示.在n=-1阶谐振模式的仿真增益为-3.38 dBi,在n=-3阶谐振模式的仿真增益为-4.07 dBi,中心频率处的增益为-3.8 dBi,天线在n=-1和n=-3阶谐振点的辐射效率分别为87.09%和75 %.

图4 周期性CRLH传输线偶极子天线的反射系数

(a) 谐振频率f-1=811.7 MHz处的仿真结果

(b) 谐振频率f-3=791.1 MHz处的仿真结果

(c) 中心频率806.8 MHz处的实测方向图图5 周期性电小偶极子天线的仿真辐射方向图

3 非周期CRLH传输线偶极子天线的分析与设计

3.1 非周期CRLH传输线偶极子天线的基本理论

周期性CRLH传输线偶极子天线为了获得较好的驻波特性,两个谐振频率点需要靠得很近.通过调节金属圆柱之间的缝隙大小和金属短截线的尺寸到合适的值,使两个谐振频率点“融合”,但拓展得到的带宽并不是很宽,且随着两个谐振频率点之间的距离增加,出现了阻抗不匹配的问题,加载匹配电路会增加天线结构的复杂度,降低天线的性能.

为了进一步拓展CRLH传输线偶极子天线的带宽,提出了一种非周期CRLH传输线偶极子天线,该天线上任意两个单元的缝隙尺寸g和金属短截线的半径b是不相同的,天线结构如图6所示.

图6 非周期CRLH偶极子天线结构图

由于每个单元的谐振频率点不一样,故对于N单元的非周期CRLH传输线谐振器,各阶谐振频率如公式(4)表示

(4)

式中βi为第i个单元的相位常数.对于四单元CRLH传输线偶极子天线,由于天线上下两臂是对称的,则公式(4)应改为

2p(β1+β2)=nπ (n=-1,n=-3).

(5)

由式(5)可知,只要保证相邻单元两个谐振频率点之间的间距不是无限大,采用非周期性结构可以实现参差调谐,且满足阻抗匹配,拓展天线的阻抗带宽.

3.2 非周期CRLH传输线偶极子天线的仿真结果及实测分析

四单元非周期CRLH传输线偶极子天线实物如图7所示,天线尺寸参数为g1=1.4 mm,g2=1.5 mm,b1=0.35 mm,b2=0.2 mm,a1=2.3 mm,a2=5 mm,r1=6.5 mm,d=18.5 mm.天线的反射系数仿真与测试结果对比如图8所示.

图7 非周期CRLH偶极子天线实物图

从图8可以看出,天线仿真得到两个谐振频率点分别为f-1=796.3 MHz和f-3=751.6 MHz,中心频率点为777.3 MHz,此时天线的阻抗带宽为66.5 MHz(频率为744.1～810.6 MHz),相对带宽为8.55%.实测得到的非周期CRLH传输线偶极子天线的两个谐振频率点分别为f-1=768.7 MHz和f-3=740.4 MHz,中心频率点为756.5 MHz,天线的阻抗带宽为66.4 MHz(频率为717.2～783.6MHz),天线谐振频率与仿真结果略有差异.

图8 非周期CRLH传输线偶极子天线的反射系数

天线在各阶谐振频率点处的二维方向图如图9所示,在n=-1阶谐振点,天线的增益为-3.5 dBi, 在n=-3阶谐振点,增益为-4.08 dBi, 在中心频率点(777.3 MHz)处,天线的增益为-3.75 dBi.非周期CRLH结构的偶极子天线在n=-1和n=-3阶谐振点的仿真效率分别为87.5%和74.4%.

实测结果表明,基于非周期CRLH结构的偶极子天线的阻抗带宽为66.4 MHz,相对带宽为8.55 %,与周期结构相比,天线阻抗带宽拓展了15.4 MHz.非周期CRLH结构的偶极子天线在n=-1和n=-3阶谐振点的辐射效率分别为87.5%和74.4%.

(a) 谐振频率f-1=796.3 MHz处的仿真结果

(b) 谐振频率f-3=751.6 MHz处的仿真结果

(c) 中心频率777.3 MHz处的实测方向图图9 非周期CRLH传输线偶极子天线方向图

4 结 论

在周期CRLH传输线偶极子天线的基础上,设计出了一种非周期CRLH传输线偶极子天线,实现了天线阻抗带宽的拓展,并对非周期CRLH传输线偶极子天线进行了实物加工与测试.实测结果表明:采用非周期CRLH传输线的偶极子天线能够有效拓宽天线的带宽,改善天线的匹配性能,实物测试与仿真结果取得了较好的一致性.

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Bandwidth-extended dipole antenna based on composite right/left handed transmission line

CAO Weiping1,2ZHANG Huimin1LI Simin1,2LI Beibei1

(1.KeyLaboratoryofCognitiveRadioandInformationProcessingGuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China;2.GuangxiKeyLaboratoryofWirelessWidebandCommunicationandSignalProcessing,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

To solve the problem of narrow bandwidth in electrically small antenna which employs periodic composite right/left-handed(CRLH) transmission line, a new type of electrically small dipole antenna using non-periodic CRLH transmission line is proposed.The model includes N units of various size LC ladder network cells.Staggered tuning is implemented to improve the antenna impedance matching and broaden the antenna bandwidth.A four units non-periodic CRLH dipole antenna is designed.The simulation and experiment show that when the length of the antenna is 0.135λ0, 8.55% impedance bandwidth with |S11|≤-10 dB can be achieved.The matching performance of the antenna is improved to a large extent.

non-periodic;impedance matching;impedance bandwidth

曹卫平, 张惠敏, 李思敏, 等.频带展宽的复合左右手传输线偶极子天线[J].电波科学学报,2016,31(5):891-895.

10.13443/j.cjors.2016042701

CAO W P, ZHANG H M, LI S M, et al.Bandwidth-extended dipole antenna based on composite right/left handed transmission line[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):891-895.(in Chinese) DOI：10.13443/j.cjors.2016042701

2016-04-27

国家自然科学基金(61361005，61001020，61461016)； 桂林电子科技大学研究生教育创新计划(YJCXS201526)

TN821+.4

A

1005-0388(2016)05-0891-05

曹卫平 (1971-),男,湖南人,教授,博士,桂林电子科技大学硕士生导师,主要从事射频和天线方面的研究.

张惠敏 (1991-),女,河南人,桂林电子科技大学硕士研究生,主要从事天线方面的研究.

李思敏 (1963-),男,江苏人,博士,教授,博士生导师,主要从事宽带小型化天线、高功率微波、计算电磁学、微波通信的研究工作.

联系人：张惠敏 E-mail：Gliet_zhanghuimin@163.com