兼容4G/WiFi/WiMAX的新型宽带人工电磁媒质天线设计*

李学识，蔡述庭，余金全，林福民

(1.广东工业大学 a.自动化学院;b.物理与光电工程学院，广州 510006；2.毫米波国家重点实验室，南京 210096)

兼容4G/WiFi/WiMAX的新型宽带人工电磁媒质天线设计*

李学识**1a,2，蔡述庭1a，余金全1a，林福民1b

(1.广东工业大学 a.自动化学院;b.物理与光电工程学院，广州 510006；2.毫米波国家重点实验室，南京 210096)

设计了一款新颖的基于互补开口谐振环结构和条形缝隙的贴片天线。通过在金属贴片上蚀刻圆环形互补开口谐振环结构，并且在金属接地板上蚀刻条形缝隙完成天线的人工电磁媒质结构设计，它们和介质板共同作用将天线工作频段明显扩宽到1.7～2.98 GHz和3.99～5.34 GHz。该天线仅使用单层双面覆铜板即可完成加工，具有结构简单的特点。同时，天线的电尺寸仅有0.408λ0×0.408λ0×0.008 6λ0(在天线最低工作频率1.7 GHz处)，且最大增益为6.04 dBi；可以同时兼容中国的第四代(4G)移动通信的所有频段(1.88～2.66 GHz)、WiFi频段(2.4～2.484 GHz)和微波存取全球互通(WiMAX)频段(2.5～2.69 GHz)。

宽带天线；贴片天线；互补开口谐振环；条形缝隙；人工电磁媒质

1 引 言

当前第四代(the Fourth Generation,4G)移动通信 / 微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX) / WiFi等商业通信的迅速发展对天线多频段、小型化提出了更高要求[1]。基于人工电磁媒质结构的贴片天线具有多频工作、小型化、可调节辐射特性等优点而受到研究人员的广泛关注，已经在实际通信领域被广泛应用，比如：可以在1.92～2.17 GHz的宽带码分多址(Wideband Code-Division Multiple-Access,WCDMA)频段工作，在2.5～2.69 GHz的WiMAX频段工作，在2.4～2.484 GHz的蓝牙(Bluetooth)频段工作，还可以在2.3～2.39 GHz的无线宽带(Wibro)频段工作[2-3]。但人工电磁媒质天线仍然有一些方面值得改进，比如结构比较复杂以及天线增益有待提高。

为了改善人工电磁媒质的性能，近年来一些新颖的人工电磁媒质结构被研究和开发出来，如互补开口谐振环(Complementary Split Ring Resonator,CSRR)结构、电抗性阻抗表面(Reactive Impedance Surface,RIS)结构、部分反射表面(Partially Reflective Surface,PRS) 结构、蘑菇状电磁带隙(Electromagnetic Band Gap,EBG) 结构等[4-8]。CSRR结构有助于天线工作在较低频段并且实现天线小型化，这是由于它与介质基板和金属接地板一起可以被看成具有左手特性的LC谐振电路，相对传统谐振电路可以在较低频率谐振[4]。为了进一步提高人工电磁媒质天线的增益并且扩展其带宽，RIS结构被嵌入天线基底层中间[5]。近来对人工电磁媒质天线的研究中，一种类似RIS的具有条形缝隙形式的人工电磁媒质结构被蚀刻在单层双面介质板的金属接地板上并利用其设计了天线[9-10]。这种类型的人工电磁媒质天线在扩展工作带宽的同时能够保证天线具有良好的辐射增益，但也有需要改进的地方，例如：其工作频段相对较高(3 GHz以上)，不利于其在诸如4G、WiFi或者WiMAX等商业频段的应用。

针对这些不足，可以利用人工电磁媒质增加天线谐振频率的特性，将天线工作频段扩展到覆盖常用商业频段，同时保持其良好的辐射特性。本文在金属地面上设计了条形缝隙，并且在金属贴片上蚀刻了圆环形CSRR结构，因此，具有同时在中国移动/联通/电信4G频段(1.88～2.66 GHz)、WiFi频段(2.4～2.484 GHz)，或者WiMAX频段(2.5～2.69 GHz)等上以较高增益工作的特性。另外，本天线结构简单，可以用单层双面覆铜板完成低成本加工制造。本文天线运用的金属接地面上的条形缝隙，同时贴片上蚀刻圆环形CSRR的结构目前尚未见文献报道，而且该天线能覆盖常见商业频段，故研究具有实用价值。

2 天线结构

2.1 天线结构设计过程

首先考虑到需要的工作频段，基于传统的贴片天线理论设计了基本的底层天线金属地板和顶层金属贴片。贴片天线的辐射缝隙为顶层贴片的宽度为W的两条边。W与谐振频率f0之间具有如下关系[11]：

(1)

式中：介质板的相对介电常数为εr= 3.66(使用的高频电路板为Rogers RO4350);需要的天线谐振频率f0为3.64 GHz，以利于后面借助人工电磁媒质扩展工作频段到低频段。由式(1)设计出天线顶层贴片的宽度W为27 mm,而贴片长度L则设置为36 mm，以便于在其上蚀刻人工电磁媒质结构。

之后，根据条形缝隙具有扩展天线带宽的作用，在天线金属地板上蚀刻了条形缝隙。接着，运用CSRR带来低频谐振的特性，在顶层贴片上设计了4行3列CSRR结构。CSRR尺寸与其谐振频率fCSRR的关系为[12]

(2)

式中：c为自由空间中的光速;外径r2=3.5 mm;内径r1=2.3 mm;缝隙宽度w=0.6 mm。由上式可得出CSRR谐振频率为3.06 GHz。该谐振频率低于贴片天线原有谐振频率，因此能够起到增加天线谐振频率和扩展天线工作频段的作用。

为了设计天线贴片上的CSRR结构，在天线金属地板蚀刻条形缝隙之后，在顶层贴片分别蚀刻了1列、2列和3列CSRR结构，如图1(a)所示;然后,仿真了各种情况的天线端口回波损耗特性，如图1(b)所示。

(a) 天线顶层贴片分别蚀刻1列、2列和3列CSRR结构

(b) 3种情况的回波损耗仿真

图1 天线顶层贴片分别蚀刻1列、2列和3列CSRR结构的仿真

Fig.1 Simulated return losses of the antennas whose patches are etched with one column,two columns and three columns of CSRRs,respectively

由仿真数据，顶层贴片在蚀刻1列、2列和3列CSRR后，天线端口S11值低于-10 dB的工作带宽合计分别为2.16 GHz、2.28 GHz和2.96 GHz。由此可见，当顶层贴片蚀刻3列CSRR时，则它们基本完全占据贴片面积，而天线工作频段也是最宽的。

2.2 研制的天线结构

由上述设计过程确定天线结构为顶层贴片蚀刻4行3列CSRR结构，并且金属地板蚀刻条形缝隙。此外，对馈电微带线位置和宽度进行微调，以使天线达到较好的端口匹配特性。

本文设计的人工电磁媒质天线具有特色和创新性。为了达到结构简单的特性，仅用单层双面介质板即可实现。为了达到宽带特性，在贴片上面蚀刻CSRR结构，在金属地面上应用条形缝隙结构。具有左手特性的CSRR和条形缝隙结构与贴片和金属地面结合在一起产生左手材料在低频谐振的效果，这样能够增加天线工作频带宽度，保持较好的天线增益，并且具有结构简单的特点。另外，这种基本结构的左手特性已经在文献[10]中论述，此处不再赘述。

天线结构如图2所示。为了扩展天线工作频段，矩形贴片上排列着4行3列镂空雕刻的CSRR结构。同时，天线金属地板上则雕刻了另外一种人工电磁媒质结构，即条形缝隙结构。以往关于人工电磁媒质天线的研究表明这种结构能够有效扩展天线工作带宽[13]。本文设计的天线与文献[9]中的天线有所区别，例如：贴片上面设计的结构采用了CSRR这种具有左手特性的人工电磁媒质，而文献[9]中则是一种变形的周期空隙结构；此外，本文设计的天线在尺寸上进行了调整和优化，能够使天线工作频段覆盖中国全部4G频段、WiFi频段以及WiMAX频段等商业频段，而文献[9]中的天线工作频段在5.3 GHz以上，和这些常用的商业频段不兼容。CSRR的单元结构显示在图2(a)中。此CSRR结构包括两个互相隔离并且镂空的同心圆环，圆环中的一小部分没有被雕刻掉，两个圆环的未被雕刻部分反向朝向。

图2(b)、(c)是加工好的天线的正面和背面照片。加工该天线使用了相对介电常数为εr=3.66的高频电路板Rogers RO4350，其厚度仅有1.524 mm。天线的总体尺寸仅为0.408λ0×0.408λ0×0.008 6λ0，其中λ0为在自由空间中的天线工作频率1.7 GHz处的波长。

图2 天线结构和加工照片

Fig.2 Antenna structure and fabricated antenna

3 天线性能实验

对天线的回波损耗、端口阻抗、轴比、方向图和辐射增益等性能进行了仿真。测试方面，回波损耗、端口阻抗使用安捷伦E5071矢量网络分析仪测试，而轴比、方向图则使用SATIMO微波暗室测试。

图3为该天线的回波损耗。从图中可以看出测试得到的天线回波损耗低于-10 dB的两个频段分别是1.7～2.98 GHz和3.99～5.34 GHz，由此可算出这两个频段的相对带宽分别是55%和28%。该天线的回波损耗也和具有相同尺寸的但无人工电磁媒质的天线(其贴片和金属地板都是完整未雕刻的)的回波损耗进行了对比。从图3可以看到，以低于-10 dB为标准，本文设计的天线的回波损耗带宽大大扩宽了，这证明了天线中引入的CSRR和条形缝隙结构确实能够起到影响天线谐振频率和扩展天线工作频段的作用。

图3 天线回波损耗仿真与测试结果

Fig.3 Simulated and measured return losses of the antenna

图4给出了天线端口阻抗测量的结果。由图所见，阻抗虚部跨零的点有若干个，天线在这些频率处于谐振状态。这也说明天线能够在较宽频段上达到谐振状态，使天线具有宽带工作能力。而在这些谐振频率处天线阻抗实部也接近50，这使得天线可以在宽频范围内容易与50输入端口达到阻抗匹配。因此，通过在贴片天线上设计CSRR和条形缝隙结构，天线的谐振和阻抗匹配的频率范围能够有效扩展。

图4 天线输入阻抗测试结果

Fig.4 Measured input impedance of the antenna

在天线工作频段范围内任意选择了1.8 GHz和4.2 GHz两个频点测试天线的辐射方向图，用以验证天线辐射性能。图5(a)和图5(b)分别是测试的1.8 GHz和4.2 GHz两个频点的三维辐射方向图，并且以dBi尺度显示。由图5(a)可见，天线在1.8 GHz,的辐射类似于沿x轴摆放的偶极子天线，其在垂直于x轴的方向上有较强的辐射。而由图5(b)可见，在4.2 GHz,天线在xoy平面有两个较强的辐射主瓣。同时，由图5可以看到，人工电磁媒质的加入使天线辐射方向图和普通矩形贴片天线的辐射方向图有所不同。通过调整天线摆放位置，可以在所需要的方向上进行信号的发射和接收。

(a) 在1.8 GHz的三维方向图

(b) 在4.2 GHz的三维方向图

图5 测试的天线三维方向图

Fig.5 Measured three-dimensional patterns of the antenna

而图6(a)和图6(b)则是1.8 GHz和4.2 GHz两个频点上，天线在xoy和xoz面测试的二维辐射方向图。由图6(a)可见，在1.8 GHz天线在xoz平面有两个较强的辐射主瓣。而图6(b)则说明，在4.2 GHz天线在xoy平面有两个较强辐射主瓣。

(a) 在1.8 GHz的二维方向图

(b) 在4.2 GHz的二维方向图

图6 测试的天线二维方向图

Fig.6 Measured two-dimensional patterns of the antenna

在微波暗室对天线的辐射增益和效率性能进行实测，从1.5～5.5 GHz每隔0.5 GHz选取一个频点进行测试，结果如图7所示。从图中可以看到天线在4.5 GHz有5.7 dBi的最大增益。同样，从图中可以看到在2～5.5 GHz频段范围内天线增益都在1 dBi之上，具有较高的实用性。但是天线增益在3 GHz以下时相对较低,这与天线在3 GHz以下较强的欧姆损耗有关。测试的天线效率在4.5 GHz有91%的最大值，并且在2～5.5 GHz范围内的效率都在39%以上。图7证实该天线能够在较宽频段范围内以较高增益进行有效辐射,这样的宽带范围内的较高增益对于仅有单个贴片单元和简单结构的天线来说是较好的结果。

图7 天线增益和效率测试结果

Fig.7 Measured gain and efficiency of the antenna

为了直观了解本文天线的相对性能，表1比较了该天线和同类的人工电磁媒质天线的性能指标。由表1可见，本文设计的天线在尺寸方面较小，而且工作频段较宽，能够覆盖WiFi、WiMAX和我国4G全频段，具有较好的性能和应用价值。

表1 本文天线与同类的人工电磁媒质天线性能对比

Tab.1 Performance comparison between the proposed antenna and other metamaterial based antennas

天线尺寸/mm3频段/GHz应用文献[14]109.00×109.00×45.001.49～3.25WiFi/WiMAX文献[15]61.00×140.00×1.582.38～2.52/2.94～3.14/3.70～3.78/3.86～3.90WiFi/WiMAX文献[16]100.00×100.00×1.604.15～5.27WiFi文献[17]133.00×92.50×8.085.54～6.01WiFi本文72.00×63.00×1.581.70～2.98/3.99～5.34WiFi/WiMAX/4G

4 结 论

本文设计了一种新颖的具有简单结构和宽带工作特性的人工电磁媒质天线。天线结构基于简单的单层贴片天线原型，并且在最低的1.7 GHz工作频率处天线的电尺寸仅为0.408λ00.408λ00.008 6λ0。在普通贴片天线的贴片上镂空了CSRR结构，而在天线地板上则蚀刻出了条形缝隙结构，使其工作在1.7～2.98 GHz频段以及3.99～5.34 GHz频段，相比普通贴片天线工作带宽明显扩宽。天线的相对工作带宽在1.7 GHz开始的频带为55%，而在3.99 GHz开始的频带为28%,在工作频段范围内具有最高达6.04 dBi的良好辐射增益。该天线用简单的结构和紧凑的尺寸就能实现宽频带工作,可应用在中国全部4G频段、WiFi频段或者WiMAX频段等商业通信领域。

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LI Xueshi was born in Emei,Sichuan Province,in 1981. He received the Ph. D. degree from South China University of Technology in 2010. He is now a lecturer. His research concerns metamaterial antennas,computational electromagnetics and reconfigurable antennas.

Email:lixueshi@gdut.edu.cn

蔡述庭(1979—)，男，湖南益阳人，博士，副教授，主要研究方向为射频集成电路、图像视频编码；

CAI Shuting was born in Yiyang,Hunan Province,in 1979. He is now an associate professor with the Ph. D. degree. His research concerns radio frequency ICs and coding of graphics and videos.

余金全(1994—)，男，广东清远人，主要研究方向为人工电磁媒质天线、导电墨水打印天线 ;

YU Jinquan was born in Qingyuan,Guangdong Province,in 1994. His research concerns metamaterial antennas and printed antennas using conducting ink.

林福民(1964—)，男，广东汕头人，博士，教授，主要研究方向为卫星导航天线、大功率微波器件。

LIN Fumin was born in Shantou,Guangdong Province,in 1964. He is now a professor with the Ph.D. degree. His research concerns satellite navigation antennas and high power microwave devices.

Design of a Novel Broadband Metamaterial Antenna Compatible with 4G/WiFi/WiMAX

LI Xueshi1a,2，CAI Shuting1a，YU Jinquan1a，LIN Fumin1b

(a.School of Automation;b.School of Physics and Optoelectronic Engineering,1.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.State Key Laboratory of Millimeter Waves,Nanjing 210096,China)

A patch antenna is designed based on the structures of complementary split-ring-resonators(CSRR) and strip-line gaps. The metamaterial structure is constructed via etching CSRR structures with circular shapes and employing strip-line gaps on the ground. They cooperate with the dielectric slab to significantly extend the antenna’s operating frequency bands to 1.7～2.98 GHz and 3.99～5.34 GHz. The antenna can be fabricated utilizing only one single-layer substrate with both sides covered with copper,whose structure is pretty simple. The antenna has an electrical dimension of only 0.408λ0×0.408λ0×0.008 6λ0(at the lowest operating frequency of 1.7 GHz of the antenna) with a peak gain of 6.04 dBi. It is compatible with multiple commercial bands at the same time including all the bands of the fourth generation(4G) of Chinese mobile communication(1.88～2.66 GHz),WiFi(2.4～2.484 GHz),and the worldwide interoperability for microwave access(WiMAX)(2.5～2.69 GHz).

broadband antenna；patch antenna;complementary split-ring-resonators；strip-line gaps；metamaterial

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.12.015

李学识，蔡述庭，余金全，等.兼容4G/WiFi/WiMAX的新型宽带人工电磁媒质天线设计[J].电讯技术，2016,56(12):1387-1392.[LI Xueshi，CAI Shuting，YU Jinquan,et al.Design of a novel broadband metamaterial antenna compatible with 4G/WiFi/WiMAX[J].Telecommunication Engineering,2016,56(12):1387-1392.]

2016-02-24；

2016-06-20 Received date:2016-02-24；Revised date：2016-06-20

国家自然科学基金资助项目(61505035);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目;广东省高等教育教学改革资助项目

Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(No.61505035)；The Scientific Research Foundation forthe Returned Overseas Chinese Scholars,Ministry of Education；The Teaching Reformation Project of Higher Education of Guangdong Providence

TN823

A

1001-893X(2016)12-1387-06

李学识(1981—)，男，四川峨眉人，2010年于华南理工大学获工学博士学位，现为讲师，主要研究方向为人工电磁媒质天线、计算电磁学、可重构天线；

**通信作者：lixueshi@gdut.edu.cn Corresponding author：lixueshi@gdut.edu.cn