基于左手材料的微带天线小型化设计

2018-12-26赵文美程永霞

无线电工程 2018年1期

关键词：小型化谐振天线

孙烨，赵文美，刘硕，程永霞

(山东科技大学电子通信与物理学院，山东青岛 266590)

基于左手材料的微带天线小型化设计

孙烨，赵文美，刘硕，程永霞

(山东科技大学电子通信与物理学院，山东青岛 266590)

针对移动通信对天线小型化的需求，提出了一种基于左手材料实现微带天线小型化的方法。在谐振频率为5.8 GHz的微带天线的接地板上蚀刻圆形单开口谐振环(Circular Split Single-Ring Resonator，CSSRR)结构的左手材料，利用左手材料的后向波特性进行相位补偿，打破传统微带天线半波长电尺寸的束缚，从而达到天线小型化的目的。采用Ansoft HFSS软件进行仿真，分析了CSSRR结构的电磁特性和小型化天线的性能。仿真结果表明，小型化天线与传统微带天线相比辐射贴片的尺寸减小37.52%，带宽略有增加，增益等参数性能基本保持不变。而且该小型化微带天线结构简单，易于实现。

左手材料；微带天线；小型化；圆形单开口谐振环；回波损耗

0 引言

微带天线因其制作简单、结构紧凑等突出优点[1]在通信领域得到广泛应用。随着无线通信技术的飞速发展，对器件小型化的要求越来越严格。目前，常见的微带天线小型化技术有开缝开槽[2]、加载短路[3]和采用高介电常数介质板[4]等。但这些技术存在缺陷，即使实现了微带天线的小型化，也会导致微带天线的带宽、辐射效率等[5]性能变差。

左手材料(Left Handed Metamaterials，LHM)是一种同时具有负介电常数与负磁导率的新型人工电磁结构材料[6]。大量研究表明将LHM用于滤波器[7]、天线[8]等微波器件，利用其负折射效应、后向波特性等奇特的电磁特性，可以有效地减小器件的尺寸以及改善某些性能[9]。Engheta等[10]提出了应用左右手复合材料实现小于半波长的小型化谐振腔，开辟了LHM新的研究领域。Liu等[11]利用左右手复合传输线，使线路间的耦合强度增大，从而达到耦合器的小型化的目的。Antoniades等[12]利用LHM后向波特性设计的超宽带传输线巴伦，相对带宽达到了77%且尺寸仅为原来的一半。文献[13]提出微带天线谐振频率随着接地板上引入I型SRR数量的增加而降低，当引入15个I型SRR时，天线谐振频率降低了0.519 GHz。Limaye等[14]提出在微带天线的反面蚀刻4个CSRR，天线谐振频率下降了1.4 GHz，天线尺寸减小49%。

本文设计了一款传统的5.8 GHz微带天线。在天线的接地板上水平蚀刻周期性的CSSRR结构的LHM，实现天线小型化。仿真结果证明，设计的新型天线尺寸分别只有传统微带天线的62.48%，达到了天线的小型化目的，结构简单而且对天线的辐射性能影响较小。

1 左手材料的相位补偿效应

2002年，Engheta等[10]提出的基于左右手复合介质的一维小型化谐振腔，结构如图1所示。其中，左侧为右手材料(RHM)，折射率为n1，厚度为d1；右侧为LHM，折射率为n2，厚度为d2。

图1 一维小型化谐振腔结构

假设RHM的特征阻抗与自由空间的相同，当电磁波穿过该介质表面时不会发生反射，穿透该介质时，波前相位和入射点的相位差为：

Δθ1=n1k0d1，

(1)

式中，k0为传播常数。

当电磁波穿过RHM进入LHM时，RHM的波矢量k1与坡印廷矢量S1平行同向；LHM的S2与k2平行反向(LHM的后向波特性)。因此，当电磁波穿透LHM时，产生的相位差为：

Δθ2=-n2k0d2。

(2)

电磁波穿过该一维结构产生的总相位差为：

Δθ=Δθ1+Δθ2=n1k0d1-n2k0d2。

(3)

当RHM和LHM的厚度满足d1/d2=n2/n1时，左右手复合材料构成的平板总相位差为0。因此，LHM起到了相位补偿的作用。并且可以通过调整LHM的厚度，以减小谐振频率[15]。

本文在微带天线接地板上水平引入LHM，可以利用LHM的后向波特性对天线的纵向波进行相位补偿，打破传统微带天线半波长电尺寸的束缚，从而达到天线小型化的目的。

2 圆形单开口谐振环结构

本文提出了一种色散稳定且电尺寸小的CSSRR结构的LHM单元，如图2所示。经过Ansoft公司的HFSS13.0仿真优化，该结构的尺寸参数设计为：外环半径R=2.4 mm，环宽度w=0.2 mm，开口宽度k=0.2 mm。

图2 CSSRR单元结构

采用矩形波导法[16]对CSSRR的传输特性进行仿真，结构如图3所示。将周期排列的CSSRR竖直放置在波导中，电磁波沿y轴正向入射，设置开放边界；波导上下面设置PEC电边界；前后面设置PMC磁边界。

图3 CSSRR左手材料仿真模型结构

通过电磁仿真分析，得到电磁波在波导中传播的S参数。采用Smith参数提取法[17]借助Matlab软件编程反算出CSSRR的等效介电常数和磁导率随频率变化曲线，结果如图4所示。

图4 左手材料的电磁特性参数

由图4可以看出，在5.6～7.3 GHz频段内，等效磁导率和介电常数的实部同为负值，使得在该介质中传播电磁波的电场E，磁场H和波矢量k满足左手系，坡印廷矢量S与波矢量k异向，从而显示出CSSRR结构具有左手特性和后向波特性。

3 小型化天线设计

首先，根据天线理论设计一款传统的中心工作频率f=5.8 GHz的微带天线[18-19]作为对比。选取厚度h=1.6 mm，相对介电常数εr=4.4的FR4作为介质板，介质板的尺寸为30 mm×29 mm，辐射贴片的尺寸为L0×W0=11.34 mm× 15.7 mm。天线采用λ/4阻抗转换器与50 Ω微带线相连进行侧馈，微带线长l1=7 mm、宽w1=0.78 mm，结构如图5所示。

图5 微带天线结构

在微带天线的接地板上水平蚀刻周期排列的CSSRR结构，如图6所示。经仿真发现，随着蚀刻CSSRR数量的增加，微带天线的谐振频率明显降低。天线谐振频率随蚀刻不同数量CSSRR结构的变化情况如表1所示。

图6 接地板蚀刻CSSRR的微带天线

SSRR数量频率/GHzS11/dB无5．8-40．2525．56-31．7445．31-45．3265．16-29．01

由表1可知，当蚀刻6个CSSRR结构时，微带天线的谐振频率从5.8 GHz降至5.16 GHz，下降了0.64 GHz。在此基础上，调整辐射贴片的大小，使天线重新工作在5.8 GHz。通过仿真优化，天线的贴片尺寸由原来的15.7 mm×11.34 mm降至12 mm×9.27 mm，天线的尺寸相应缩小了37.52%，实现了微带天线的小型化。

传统天线和小型化天线回波损耗(S11)参数仿真结果对比如图7所示。结果表明，传统天线相对带宽为14.67%，反射系数最小值为-40.25 dB；小型化天线相对带宽为17.34%，反射系数最小值为-45.78 dB。小型化前后带宽略有增加，回波损耗稍有下降，天线的性能有所优化。微带天线小型化前后辐射方向图的仿真结果对比如图8所示。

图7 微带天线的S11仿真结果

(a) E面方向图

(b) H面方向图图8 微带天线辐射方向图

由图8中可知，传统天线的峰值增益为4.84 dBi，小型化天线的峰值增益为4.17 dBi，增益有稍许降低；另外，小型化天线的后向辐射较传统天线略有增加，主要由辐射功率从接地板上缝隙漏射造成。总体来说，小型化天线的方向图还是比较理想的，这些变化都在天线的正常工作范围内。

4 结束语

本文设计了一款新型基于LHM的微带天线，通过在天线接地板上蚀刻周期性的CSSRR结构，利用LHM的相位补偿特性，达到减小尺寸的目的。利用电磁仿真分别分析了CSSRR的特性和天线的性能。仿真结果表明，所设计的天线与传统微带天线的尺寸相比减小了37.52%，而且相对带宽有了一定的提高，天线的辐射性能基本不变。可见，LHM在实现天线小型化上具有良好的应用前景。

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MiniaturizationDesignofMicrostripAntennasBasedonLeft-handedMaterial

SUN Ye,ZHAO Wenmei,LIU Shuo,CHENG Yongxia

(CollegeofElectronic,CommunicationandPhysics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

A method of miniaturization of microstrip antennas based on left-hand material is proposed to meet the demand of miniature antennas in mobile communications.At the resonant frequency of 5.8 GHz,the Circular Single-Split Ring Resonator (CSSRR) is loaded on the ground to break the shackles of the traditional microstrip antenna due to half-wave electrical-dimension.Miniaturization of the microstrip antenna is achieved by the phase compensation using backward wave characteristics of left-handed material.By using HFSS software,the electromagnetic characteristics of CSSRR structure and the performance of miniaturized antennas are analyzed.The results show that compared with the conventional microstrip antenna,the size of the radiation patch of the miniaturized antenna is reduced by 37.52%,the bandwidth is increased slightly,and the parameters such as gain are almost unchanged.Moreover,the miniaturized microstrip antenna has the advantages of simple structure and easy implementation.

left-handed material；microstrip antenna；miniaturization；CSSRR；return loss

2017-09-11

山东省自然基金资助项目(ZR2013FM018)；青岛科技计划项目(13-1-4-132-jch)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.12

孙烨,赵文美,刘硕,等.基于左手材料的微带天线小型化设计[J].无线电工程,2018,48(1):55-58.[SUN Ye,ZHAO Wenmei,LIU Shuo,et al.Miniaturization Design of Microstrip Antennas Based on Left-handed Material[J].Radio Engineering,2018,48(1):55-58.]

TN820

1003-3106(2018)01-0055-04