小型多频化复合左右手结构天线的研究

2020-09-09刘明鑫

计算机应用与软件 2020年9期

刘明鑫邹林唐斌

1(成都航空职业技术学院通用航空学院四川成都 610100)2(电子科技大学信息与通信工程学院四川成都 611731)3(四川省高等学校校企联合“航空电子技术”应用技术创新基地四川成都 610100)

0 引言

随着现代化信息技术的不断发展，微带天线的设计方向朝着小型化、多频带和宽带化发展。因此，设计一款能够在多个频带中实现辐射且体积较小的天线越来越受到广大应用者的青睐。目前，复合左右手结构的传输线通过左手材料结合传统右手传输线实现，成为微波天线领域的一个研究领域[1]。同时，复合左右手传输线结构被应用在多个微波无源和有源的器件上面，例如滤波器、天线、功分器和双工器等。本文旨在利用复合左右手结构进行多频带、小型化天线的设计，通过在天线上加载具有复合左右手结构的曲折线和交指结构，能够在传统的右手传输线上面加载左手特性，实现天线的辐射频段覆盖Wi-Fi/WLAN/WiMAX等多个通信领域的频段上[2-3]。

本文所设计的天线采用曲流技术来实现天线的小型化结构设计，同时还将在天线上加载交指结构和金属化过孔，实现天线复合左右手结构功能，使其能够覆盖频率包括Wi-Fi(2.400～2.484 GHz)、WiMAX(3.3～3.8 GHz)和WLAN(5.150～5.825 GHz)三个频带。测量结果表明，天线的匹配特性较为良好，仿真和测量的方向图基本一致，符合理论推导。

1 复合左右手传输线基本原理

1.1 分组和源信号的分段表示

复合左右手传输线(Composite Right/Left-Handed Transmission Lines,CRLH-TLs)是将左手材料的结构单元加载在传统的右手传输线上而形成的。近年来复合左右手微带天线得到迅速发展，应用价值得到了越来越多研究学者的认可，也得到了广泛的重视和较多的研究讨论。复合左右手结构目前主要是用于电磁微波领域的无源结构部分，例如功分器、滤波器、天线、双工器等设计中[4-7]。图1为传统的右手传输线、左手传输线和复合左右手传输线的等效电路模型，为了简化模型，本文采用无耗模型进行分析。图1(a)是由单位长度的串联电感LR和并联电容CR组成纯右手传输线；(b)是由单位长度的串联电容CL和并联电感LL组成纯左手传输线；(c)是结合左手传输线结构和右手传输线结构，共同构成复合左右手传输线结构[8-10]。

图1 右手、左手和复合左右手传输线等效电路模型

复合左右手传输线的相位常数β关于频率ω的色散关系如图2所示，其中：c为光速；ωse是复合左右手等效电路的串联谐振频率；wsh是复合左右手等效电路的并联谐振频率。可以看到左手区域和右手区域的传输常数分别在各自的区域是连续的，但是它们部分之间存在一个阻带，在小于ωse和大于ωsh的区域相位常数β为零，即在这个频带内是处于截止的状态(ωse≠ωsh)，这被称为不平衡结构。通过调节电路中的元件参数值使ωse=ωsh，能使传输线工作于一种平衡状态，此时整个有效频段都将处于一个通带范围内，这被称为平衡结构[1]。

图2 相位常数关于变化频率的色散关系图

1.2 复合左右手结构天线设计

本文所设计的天线是加载了曲折微带贴片的单极子天线，采用FR4介质基板。该基板厚度为1 mm，相对介电常数为4.4，介质损耗角正切为0.025，通过50欧姆的微带线给天线馈电。图3是天线的正面和背面物理尺寸图和示意图，表1为物理尺寸的具体参数。该天线是一个基于复合左右手材料单元的单极子曲折线构成的三频带的微带天线，复合左右手结构加载到曲折线的微带天线上面使得天线的谐振频点增加、频带带宽增加、交叉极化减小。天线加工的实物如图4所示。

图3 天线正面及背面尺寸图

表1 天线尺寸参数表

图4 天线的物理尺寸图

天线的等效电路如图5所示，其中左手串联电容CL由印制在曲折微带线上的交叉指型的微带缝隙产生，左手并联电感LL由接地金属柱产生。另外交指微带线和介质底部的金属贴片也构成了电容Cg，Cg也是左手电容的构成部分之一，Cg、CL、LL共同构成了复合左右手CRLH单元结构的左手部分。右手并联电容CR由上层金属片和底部金属产生，右手并联电感LR由电流流过的细小的金属微带产生。

图5 复合左右手单元的等效电路图

图6为该天线的复合左右手单元结构，包括左手交指电容、左手接地电感、右手电容、右手电感，该模型建立在FR-4介质基板上，基板的厚度是1 mm。通过Ansoft HFSS建立矩形结构的单元模型，式(1)表示参数S和相位常数之间的关系，仿真分析得出该复合左右手单元结构的色散特性。其中P为复合左右手单元结构的长度，该结构的尺寸与天线的尺寸完全相同。

(1)

图6 复合左右手单元结构的正面和背面

图7为复合左右手单元色散曲线图。可以看到，该结构的左手区域的范围是1～2.3 GHz、4.2～6.5 GHz，右手区域的范围是2.6～3.9 GHz。复合左右手天线在左手区域频带的辐射的方向图是后向辐射，在右手区域频带的辐射的方向图是前向辐射，而在平衡区域辐射的方向图是垂直天线轴向辐射。

图7 复合左右手单元色散曲线图

本文所设计的天线尺寸是30×30×1.6 mm(0.3λ×0.3λ×0.016λ，λ为中心频率的波长)，相比于其他传统的微带天线(尺寸是0.5λ的长度)，本文天线的尺寸明显减小。实现天线小型化的原因是采用曲流技术和复合左右手单元的零阶谐振结构两种方法相结合的方式，是加载超材料单元的单极子电小尺寸的微带天线。

2 仿真和测量

图8是天线在矢量网络分析仪器Agilent E8363C的测量反射系数S11的图像，天线的-10 dB测量的反射系数带宽是2.3～2.6 GHz、3.1 ～4.5 GHz、5.1～5.9 GHz，工作带宽超过83%。从仿真和测量的结果图来看，加载复合左右手单元结构的天线带宽相对宽，两者的结果较为吻合，但是仍然有一些偏差，在第二个和第三个谐振测量的谐振频点都比仿真的谐振频点要高一些，产生这种现象的原因可能是加工的介质基板的高度发生变化或者是加工的精度存在问题。

图8 天线的仿真和测试结果图

图9为本文所设计的天线分别在各个谐振点上的电流分布和天线辐射的远场方向图。通过对天线的电流分析可以得到，在天线的第一个谐振频点上，电流分布主要是分布在单极子主体的水平方向上，根据经典天线设计理论，可知天线的辐射方向图是“苹果形状”。另外，天线在水平方向上的电流幅度较大，相位相同，所以水平方向上电流辐射出来的电场是主极化方向，而垂直方向上的电流幅度较小，相位相互抵消，所以垂直方向上的电流辐射出来的电场是交叉极化方向。同理，在天线的第二个和第三个谐振频点上，天线在垂直方向上的电流幅度较大，相位相同，所以垂直方向上的电流辐射出来电场的是主极化方向，而水平方向上的电流幅度较小，相位相互抵消，所以水平方向上的电流辐射出来电场的是交叉极化方向，这就是天线在第一个和第二、第三个谐振点的极化方式不同的原因。

图9 天线表面电流分布图和3D远场方图

表2为应用在Wi-Fi/WLAN/WiMAX频带上的不同天线形式的指标对比。通过对不同的参考文献中的天线性能进行比较，可以看到这些天线普遍存在的问题是天线的尺寸太大，不利于小型化集成的设计，天线的相对带宽较窄，文献[8，11-12]的增益在高频带相对较高，但是带宽很窄；文献[9]的带宽相对较宽，但是天线的尺寸较大。综合天线的尺寸小型化设计和相对带宽设计考虑，本文天线的性能有明显的提高，具有更好的应用价值。