基于CRLH TL的蘑菇型宽带小型化天线设计

曹卫平，邵金华，李贝贝

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004;2.桂林电子科技大学 认知无线电与信息处理重点实验室，广西 桂林541004)

随着无线通信的迅猛发展，对智能化、便携式、大容量移动通信终端的需求量越来越大。微带贴片天线具有低剖面、体积小、质量轻、造价低、方向性好、易于集成等优点。但微带天线Q值高、带宽窄［1］，从而限制了其应用，因此，展宽天线带宽具有十分重要的意义［2］。

2002年Caloz等提出了一种实现异向特性的超材料——复合左/右手(CRLH)传输线［3-4］。当电磁波在CRLH传输线传播时，在某个频率范围内其传播特性呈现“左手特性”，而在其他频率范围内则呈现“右手特性”。为此，运用CRLH传输线，通过减小接地板的尺寸，设计了一种适用于Wi-Fi和WiMAX通信的蘑菇型宽带小型化天线。

1 蘑菇型CRLH结构

蘑菇型CRLH结构由Sievenpiper等［5］提出，如图1所示。每个蘑菇型CRLH单元由一正方形金属贴片通过金属化过孔与接地板连接而成。p为蘑菇型CRLH单元的物理长度，h为基板的厚度。

图1 蘑菇型CRLH结构Fig.1 The structure of mushroom CRLH

蘑菇型CRLH单元的等效电路如图2所示。

图2 单元等效电路Fig.2 The equivalent circuit of unit cell

根据Bloch-Floquet定理，对传输线单元模型应用周期边界条件，蘑菇型CRLH单元结构的色散关系为［6］:

其中:Z、Y分别为阻抗和导纳;CL为左手串联电容，由单元之间的边缘缝隙耦合得到;LL为左手并联电感，由流经金属化过孔的电流产生;LR为右手串联电感，由金属贴片表面电流分布引起。

根据式(1)，蘑菇型CRLH单元结构的色散曲线如图3所示。从图3可看出，由蘑菇型CRLH传输线构成的谐振器具有负数阶谐振特性，能有效地实现天线的小型化。

图3 蘑菇型CRLH结构单元的色散曲线Fig.3 Dispersion relation of mushroom CRLH unit cell

2 小接地板蘑菇型CRLH结构的宽频带特性

根据文献［7-8］，蘑菇型CRLH结构的Q值与其接地板的形式及尺寸有关，通过缩小接地板的尺寸，可降低天线的Q值，从而拓展天线带宽。图4为一种缩小接地板尺寸的蘑菇型CRLH天线单元。

金属贴片的中心通过金属化过孔与背面相连，而在天线背面用细导线连接过孔与主地板，有效地缩小了接地板的尺寸。采用共面波导方式馈电，通过T型发射板给天线加上激励［7］，调节T型反射板中馈线的长度和宽度，实现阻抗匹配。

图4 蘑菇型CRLH天线单元Fig.4 Unit cell of mushroom CRLH antenna

利用电磁仿真软件CST仿真了天线的频带特性，并与接地板未缩小的情况进行对比，如图5所示。从图5可看出，缩小接地板后，天线的带宽变宽且谐振频率降低，实现了小型化。

图5 两种接地板对应的频带特性Fig.5 The frequency bandwidth characteristics in two kinds of grounds

3 宽带小型化天线的设计

尽管缩小接地板后，该蘑菇型结构已经不是真正意义上的CRLH传输线结构，但仍保持了CRLH天线的谐振特性。由CRLH传输线谐振器的特性［6，9］可知，3个蘑菇型CRLH结构单元构成的天线具有5个谐振点，包括2个左手谐振频率(fn=－1、fn=－2)、2个右手谐振频率(fn=1、fn=2)以及1个零阶谐振频率(fn=0)。根据单元小接地板蘑菇型CRLH天线结构的宽频带特性，设计了一种三单元蘑菇型CRLH天线，如图6所示。天线印制在FR4板上(厚度为1 mm，损耗角正切为0.02)，利用电磁仿真软件CST进行设计。通过仿真分析知，接地板缩小后，蘑菇型CRLH结构的等效并联电感增大，使得天线的各阶谐振频率点均往低频移动;天线的n=－1、－2阶谐振点的带宽仍比较窄，而n=0、1、2阶谐振频率点以及n=2阶模式右边固有的谐振点均具有良好的宽频带特性，并且通过调节馈线长度lf和宽度wf，可以改善天线的输入阻抗特性，使得天线从n=0阶谐振点到固有谐振点均满足S11≤－10 dB。

图6 三单元蘑菇型CRLH天线Fig.6 Three unit cells of mushroom CRLH antenna

天线反射系数随馈线长度lf和宽度wf以及蘑菇型CRLH结构贴片单元尺寸p的变化情况如图7所示。从图7(a)、(b)可看出，当蘑菇型CRLH结构单元尺寸给定时，天线n=0、±1、±2阶谐振频率点基本不随馈线尺寸的变化而改变。馈线长度lf主要影响天线的固有谐振点，lf越大固有谐振频率越低;馈线的宽度wf主要影响天线的输入阻抗特性，而不会影响天线的谐振频率点。从图7(c)可看出，天线的各谐振频率点受p值的影响，谐振频率点随着p的增大而降低。

图7 天线的反射系数Fig7 The reflection characteristics

经过反复优化，取蘑菇型CRLH结构单元的金属贴片尺寸为13.5 mm×13.5 mm，单元间耦合缝隙宽度g=0.12 mm，金属化过孔半径r=0.3 mm，T型发射板馈线的宽度wf=2 mm，长度lf=4 mm，背面接地线的宽度为0.6 mm。

仿真和实测的反射系数如图8所示，天线频率在2.39～5.71 GHz内满足S11≤－10 dB，相对带宽达到82%，能够覆盖Wi-Fi(2.40～2.484 GHz、5.15～5.35 GHz)以及WiMAX(3.3～3.8 GHz)频段。

天线在2.4、2.48、3.3、3.8、5.15、5.35 GHz的二维方向仿真结果如图9所示。

图8 蘑菇型CRLH宽带小型化天线的反射系数Fig.8 The reflection characteristics of broadband and miniaturization mushroom antenna based on CRLH

图9 蘑菇型CRLH宽带小型化天线的方向图Fig.9 The radiation pattern of broadband and miniaturization mushroom antenna based on CRLH

从图9可看出，在2.4～2.48 GHz、3.3～3.8 GHz的频段，天线在水平方向的全向性较好;在5.15～5.35 GHz频段，方向图发生畸变，最大辐射方向偏离了水平方向。天线频点在2.4、2.48、3.3、3.8、5.15、5.35 GHz的增益分别为2.25、2.26、3.4、4.11、2.99、2.83 dBi，除了5.35～5.71 GHz频段的辐射效率较低(74%)外，其他频点的辐射效率均在86%以上。

4 结束语

利用小接地板蘑菇型CRLH结构的宽频带特性，设计了一种蘑菇型CRLH宽带小型化天线，仿真和实测结果表明，该天线在2.39～5.71 GHz的频率范围内满足S11≤－10 dB，带宽达到82%，具有较好的全向辐射特性，能够覆盖Wi-Fi(2.40～2.484 GHz、5.15～5.35 GHz)以及WiMAX(3.3～3.8 GHz)频段。

［1］钟顺时.微带天线理论与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1991:1-3.

［2］高向军，王光明，张晨新.一种宽带圆形缝隙天线的设计［J］.空军工程大学学报:自然科学版，2005，6(6):28-30.

［3］Caloz C，Itoh T.Electromagnetic metamaterials:transmission line theory and microwave applications［M］.Hoboken，NJ:Wiley-In-Terscience，2006:59-131.

［4］Caloz C，Sanada A，Itoh T.A novel composite right/lefthanded coupled-line directional coupler with arbitrary coupling level and broad bandwidth［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52(3):980-992.

［5］Sievenpiper D，Zhang L，Broas R F J，et al.High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1999，47(11):2059-2074.

［6］崔万照，马伟，邱乐德，等.电磁超介质及其应用［M］.北京:国防工业出版社，2008:18-48，144-197，245-262，314-329.

［7］Lee C J，Huang W，Gummalla A，et al.Small antennas based on CRLH structures:concept，design and applications［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2011，53(2):10-25.

［8］Lee C J，Leong K M K H，Itoh T.Broadband small antenna for portable wireless application［C］//IEEE International Workshop on Antenna Technology:Small Antennas and Novel Metamaterials，2008:10-13.

［9］Lee C J，Leong KM K H，Itoh T.Design of resonant small antenna using composite right/left-handed transmission line［C］//Antennas and Propagation Society International Symposium，IEEE，2005:218-221.