基于超材料的高水平面增益全向型天线

樊思梦, 段美玲, 陈新伟

(1.山西大学 物理电子工程学院, 山西 太原 030006;2.山西大学 外国语学院, 山西 太原 030006)

0 引 言

全向天线是指水平方向图上呈360°均匀辐射且竖直面有一定波束宽度的天线。 随着通信技术的发展, 全向天线已经广泛应用于无线电广播、无线局域网、 车联网、 卫星通信和空间飞行器等领域。 单极子天线具有垂直极化和全向辐射的特性, 但是1/4波长的单极子天线剖面高度较高, 在一些需要低剖面的领域会受到限制。 目前, 已经有一些学者提出了一些微带贴片结构的全向天线[1-3]。Liu等[1]在圆形贴片外加载1个耦合圆环,通过调整耦合圆环内径和外径大小, 获得另外1个谐振频率来实现宽频带。 文献[2]通过在圆形贴片上加载圆环和6个短截线, 再在接地板上蚀刻4个矩形环槽, 最终达到了17.6%的相对带宽,实现了很好的全向辐射。 文献[3]提出了一种圆形贴片天线, 通过产生TM02模来实现全向辐射, 然后在贴片中间加载12个短路通孔来引入TM01模, 进而展宽天线带宽。 然而, 由于以上天线的辐射仰角较大, 水平增益较低, 限制了它们在不同领域的运用。

为了更大程度上提高通信覆盖范围, 研究人员提出了一些增强天线水平增益的方法, 主要分为2类, 一类是在天线周围共面加载一些金属导向器, 引导电磁波向水平方向传播[4-7]。 文献[4]通过在圆形贴片周围垂直地加载8对I字形条带来提高天线的水平增益, 但是天线的加工难度较大。文献[5]提出了一款应用于DSRC频段的低剖面全向贴片天线, 在中心馈电的圆形贴片天线的外围加载了6对3面短路1面开路的扇形条带,使天线在5.9 GHz时的水平增益提高了3 dB以上。文献[6]在贴片天线和接地板外围各加载了一圈工字型条带, 增强了水平面的电磁波辐射, 提高了天线的方向性和水平增益, 但是该天线的工作带宽只有30 MHz。Lin等[7]在参考天线周围共面加载了3个具有短路通孔的环形金属圆环导向器, 使天线在5.34 GHz处实现了13%的阻抗带宽和3.72 dBi的水平增益。

另一类方法是在天线周围或上方加载超材料单元, 利用超材料的特性改变电磁波的传播方向,从而提高其水平增益[8-10]。Tang等[8]基于复合左右手传输线(CRLH-TLs)理论, 将中心馈电的圆形贴片天线与树枝状结构的超材料阵列放置在同一块介质基板上, 以增大全向天线的水平增益。Guo等[9-10]设计了近零折射率超材料和负介电常数超材料, 将两种超材料阵列分别放置在天线正上方, 使得在原天线的基础上, 在一定频率范围内的水平增益提高了1 dB以上。

本文设计了一个具有负介电常数特性的超材料基板, 并将其放置在中心馈电的圆形贴片上方,改善了辐射特性, 提高了天线的水平增益。 天线工作在5.84 GHz～6.14 GHz, 加载超材料板后天线在通带内的水平增益最大能提高2.15 dB, 最大水平增益可以达到3.61 dBi。

1 天线设计

1.1 全向天线结构

设计的全向天线的结构如图1所示, 天线印刷在相对介电常数为2.2, 介质损耗角正切为0.002, 厚度为2 mm 的F4b介质基板上, 天线采用同轴探针进行馈电。 在介质基板顶部, 由1个半径为rp的圆形贴片和外径为rlp的耦合圆环组成, 在圆形贴片的内部蚀刻了1个宽度为w0的环形缝隙,12个直径为rd的金属短路通孔均匀地分布在距离中心为rl的圆上; 介质基板的底部是1个半径为rlg的接地板, 在距离中心rg的位置蚀刻了1个宽度为g2的环形缝隙。

图1 圆形贴片天线的结构Fig.1 Structure of the circular patch antenna

由空腔模型理论可知, 圆形贴片天线工作在TM02模时可以实现全向辐射, 圆形贴片的TM02模的谐振频率和贴片半径有如下关系

表1 天线各部分的尺寸Tab.1 The dimensions of part of the antenna

1.2 ENG超材料结构

所设计的超材料晶胞如图2所示, 由4个U型条带和2个十字形条带组合而成,4个U 型条带加载在1个较大的十字形条带顶端, 小的十字形条带和大的十字形条带呈45°交叉放置, 整体超材料晶胞蚀刻在厚度为2 mm 的F4b介质基板(εr=2.2,tanδ=0.002)两侧。 为了得到晶胞的超材料特性, 通过Floquet端口法来进行建模, 仿真和优化后, 单个晶胞的各项参数为:a=5.75 mm,w=0.5 mm,θ=45°,b=4.55 mm,t=4 mm,l1=p1=p2=22 mm。 仿真得到的S参数如图3所示。

图2 超材料晶胞的结构图Fig.2 Structure of the metamaterial cell

图3 单个晶胞仿真的S 参数Fig.3 Simulated reflection coefficients of single cell

根据史密斯等提出的利用S参数获取有效介电常数、 有效磁导率和波阻抗的方法[11], 参数反演算法可以表示为

图4 单个晶胞的超材料特性曲线Fig.4 Metamaterial properties of single cell

1.3 加载ENG后的全向天线

为了提高天线的水平面增益, 将设计的ENG超材料排列成阵列, 放置在全向天线的上方, 整个超材料板的尺寸为100 mm×100 mm×2 mm。天线的整体结构如图5所示。

图5 天线整体结构Fig.5 Antenna structure loaded with ENG

图6和图7给出了超材料结构对全向天线的影响。 从图6中可以看出, 未加载ENG结构前天线的-10 dB阻抗带宽为5.70 GHz～6.06 GHz,加载ENG 后天线的-10 dB 阻抗带宽为5.77 GHz～6.06 GHz, 天线的低频谐振频率向高频偏移, 带宽有所减小。 图7对比了加载ENG前后天线在5.9 GHz时的E面和水平面的辐射方向图, 由图可知, 天线都实现了类单极子辐射, 因为超材料的加载, 天线的半功率波束宽度从80°减小到33°, 天线的主辐射波束方向也由63°转变为85°。

图6 加载ENG前后天线的反射系数Fig.6 Reflection coefficient of antenna and antenna with ENG

图7 加载ENG前后天线在5.9 GHz的辐射方向图Fig.7 Radiation patterns of antenna and antenna with ENG at 5.9 GHz

未加载ENG 结构的天线在水平面的最大增益仅有1.09 dBi, 加载ENG结构后天线在水平面的最大增益达到4.27 dBi, 较加载前提高了3.58 dB。 这是因为部分侧向入射到超材料板的电磁波会因为超材料的各向异性特性, 改变了天线的主辐射方向, 使得水平方向上的辐射增强, 从而提高了天线的水平面增益。

2 参数分析

为了说明不同超材料单元个数对天线性能的影响, 设计了3种不同单元数的ENG 超材料板(3×3,4×4,5×5)。 将3种ENG超材料板分别放置在距天线上表面高度hf=40 mm 处, 图8比较了它们在5.9 GHz时的E面和水平面的辐射方向图。 由图可知, 加载超材料结构后, 天线在5.9 GHz处的水平面的辐射方向图有明显改善。 晶胞数目为3×3个时, 天线在θ=90°处的增益增加不大, 水平增益小于2.5 dB, 这是因为超材料板的面积小于下方的全向天线的面积, 所以, 只有部分电磁波的传播方向改变为水平方向。 然而, 当超材料晶胞为5×5个时, 由于超材料面积过大, 天线的背向辐射开始增加,θ=90°处的增益也开始减小,所以, 最终选用4×4的超材料排列方式。

图8 不同晶胞个数时天线在5.9 GHz的辐射方向图Fig.8 Radiation patterns of antennas with different unit numbers at 5.9 GHz

为了研究超材料覆盖板与天线之间的距离hf对天线性能的影响, 将超材料基板放置在天线上方不同高度处, 得到的结果如图9所示。 图中可以看出, 随着高度的增加, 当hf= 30 mm 时, 天线的主辐射方向θ＞90°, 水平面附近的增益增加不大。 当hf=40 mm 时, 主波束开始朝水平面辐射, 水平增益提高到4.27 dBi。 当hf=50 mm 时,由于高度太高, 大部分电磁波已不受超材料板的影响, 在水平面处的电磁波开始分散, 所以, 水平 增益会有所下降。 最终, 我们选取hf=40 mm。

图9 不同h f 时天线在5.9 GHz时的辐射方向图Fig.9 Radiation patterns of antennas with different h f a t 5.9 GHz

3 仿真与测试结果

本文所设计的天线实物如图10所示。

图10 加载ENG前后天线的实物制作图Fig.10 Fabricated antenna and antenna with ENG

为了提高天线的实用性, 在天线和超材料介质基板中间采用透明的尼龙螺丝钉进行固定。 使用Agilent N5230A 矢量网络分析仪和SZ-VL天线自动测试系统分别测试天线的反射系数和辐射方向图。 图11为加载ENG超材料后天线的仿真和测试的反射系数结果。

图11 天线的仿真和测试的S 11Fig.11 The simulated and measured S 11 parameters of antenna

由图11可知,加载超材料后,天线的仿真和测试的阻抗带宽分别为5.77 GHz～6.06 GHz 和5.84 GHz～6.14 GHz。 测试的阻抗带宽稍微向高频偏移。

图12为天线在5.9 GHz的E 面及水平面(θ=90°)的仿真和测试的归一化辐射方向图, 可以观察到天线在5.9 GHz处具有很好的全向辐射特性, 仿真和测量的结果也基本保持一致。 测试结果表明, 天线的不圆度小于3 dBi且加载超材料后天线的最大水平增益达到3.11 dBi。

图12 天线在5.9 GHz仿真和测试的辐射方向图Fig.12 The simulated and measured radiation patterns of antenna at 5.9 GHz

图13给出了不同频点处的天线仿真和测试的水平面增益图。

图13 仿真和测试的水平面增益Fig.13 The simulated and measured horizontal gain

由图13可知, 设计的天线在5.86 GHz～5.95 GHz 频率范围内的水平增益均大于2.53 dBi, 在5.95 GHz达到峰值3.61 dBi。 天线测试结果和仿真结果基本一致, 但是由于天线加工和测试过程中存在误差, 使得测试天线的阻抗带宽向高频移动, 所以, 测试结果较仿真结果略有减小。

4 结 论

本文设计了一款高水平增益的全向天线, 并提出了一种具有负介电常数特性的超材料结构,将其周期性排列后加载在全向贴片天线的上方,有效得改善了天线的辐射方向图, 提高了天线的水平面增益。 结果表明, 在加载ENG超材料基板后, 天线的阻抗带宽为5.84 GHz～6.14 GHz, 天线在5.9 GHz处的半功率波束宽度由80°减小到了33°。 天线在整个通带内水平增益最大提高了2.15 dB, 最大增益达到3.61 dBi。