基于超材料的多波段小型化天线

曹卫平 刘晓倩 李思敏 曹颖楠

(1. 桂林电子科技大学 信息与通信学院认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室,桂林 541004; 2. 广西无线宽带通信与信号处理重点实验室,桂林 541004)

引 言

为了适应当前无线电子设备小体积、多用途、一体化发展的要求,天线必然朝小尺寸、多频段、多用途的方向发展.目前实现天线小型化、多频化的常规方法已然成熟[1-2], 但由于受到工作频率的限制,传统的天线在实现小型化上很难有突破. 因为复合左右手传输线结构具有许多特有的性质,如零阶谐振、负阶谐振特性. 对于前者,理论上电磁波的传输常数为零,此时波长为无穷大,所以天线电长度与尺寸无关,而仅与构成左右传输线的左手电感和右手电容有关．因此,将电磁超材料具有的奇异特性应用在天线上是我们主要的研究方向．

自提出并被验证后, 复合左右手传输线作为左手材料研究的一个主要方面,现在各种新型复合左右手传输线结构层出不穷.2002年Caloz和Itoh等人提出了复合左/右手(Composite Right/Left-handed,CRLH)传输线理论,以及利用微波元件(交指电容和螺旋电感)构建人工左手传输线的想法,在实现天线小型化方面起到了很大的指导作用[3]．2006年,P. S. Hall 等人提出在偶极子天线上加载复合左/右手传输线这一想法来实现天线尺寸的缩减,其目的是将该天线应用于丰田汽车上[4]．文献[5]利用左手材料的特性,设计了一种基于开口谐振环(SplitRing Resonator, SRR)单元的单极子天线,通过调节SRR单元的尺寸以及它在单极子天线中的位置,使其能工作在2.5/3.5/5.2 GHz三个频段. 文献[6-7]是在微带天线的基础上加载不同形式的超材料结构,利用超材料特有的电磁特性实现天线的多频带,同时这些多频带都适用于全球微波互联通信(Worldwide Interoperability for Micro-wave Access, WiMAX)和无线局域网(Wireless Local Area Networks, WLAN). 文献[6-7]利用超材料的零阶谐振特性,设计了一种基于负折射率传输线(Negative Refractive Index Transmission Line, NRI-TL)电磁结构的蝶形天线,通过调节单元之间的缝隙电容和加载的细电感线,从而改变左手部分的电容和电感实现天线低频处的谐振,达到多频带的目的. 虽然上述文献中的天线实现了多频化,但天线尺寸相对于本文所设计的天线尺寸略大.

本文依据CRLH传输线的零阶谐振特性,提出了一种负折射率传输线(Epsilon Negative Transmission Line, ENG-TL)结构,该结构能实现天线的小型化;在此基础上,加载了互补开口谐振环(Complementary Split Ring Resonators,CSRR)结构,实现天线的多频带. 所设计的天线覆盖 WLAN/WiMAX频段,且在各工作频段内具有良好的全向辐射特性.

1 ENG-TL结构原理

ENG-TL属于CRLH-TL的变形,是一种无耗(R=0和G=0)人工传输线,其等效电路如图1所示. ENG-TL的等效介电常数和等效磁导率分别如下所示:

(1)

(2)

(3)

图1 无耗ENG-TL 等效电路

相比传统传输线,图1的并联支路上多了左手电感. 由于ENG-TL能产生负的等效介电常数(ε<0),从而构成一种单负介质,但当ε=0时,它和CRLH传输线一样能产生零阶谐振,也同样具有电场分布均匀的特性.

由于ENG-TL单元的谐振频率在β=0的情况下,ENG-TL单元的谐振频率与其总长度L无关,而与并联支路上的电感、电容有关. 因此,想要获得天线的零阶谐振点,只需要调节天线的并联电抗参数(CR和LL),所以式(4)给出了ENG-TL的谐振特性与其谐振模式n、单元个数N、谐振器的总长度L之间的关系:

(4)

2 ENG-TL小型化天线的设计

2.1 ENG-TL结构天线的设计

所设计的天线采用FR4(εr=4.4、tanδ=0.02、h=1.6 mm)的介质基板,其尺寸W×L×H为12 mm×21 mm×1.6 mm. 天线结构如图2所示．天线选择非对称共面波导(Asymmetric Coplanar Waveguide, ACPW)的馈电方式,相比对称共面波导馈电,其尺寸可以减小一半.通过建立天线模型,并且对其仿真,最后通过多次优化得到各参数值,结果如表1所示.

本文所设计的单极子天线的主辐射体为不规则的六边形贴片,为了更好地调节天线与馈电接口的匹配程度,在馈电部分加入矩形贴片(LS×WS).在不规则的六边形贴片和ACPW的地面之间添加带状线来构造ENG-TL结构,该ENG-TL结构由LR、CR、LL组成,其右手串联电感LR由不规则六边形贴片自身产生,右手并联电容CR由主辐射体和地面之间的耦合作用产生,而左手并联电感LL由加入的带状线产生. (ENG-TL按照上述部分描述可以看出)

(a) 正面图 (b) 侧面图图2 ENG-TL加载的天线结构图

表1 ENG-TL加载的天线详细尺寸参数

2.2 天线仿真结果分析

图3给出了加载超材料结构和未加载超材料结构情况下天线的S11仿真曲线. 从图中可看出:未加载超材料结构时,天线谐振的频率为4.4～6.68 GHz,绝对带宽为2 280 MHz,这宽频带特性主要是由辐射贴片和右侧地面产生;在贴片和地面之间加载带状线时,可以看出天线在2.56 GHz处产生一个新的谐振点,即为该天线的零阶谐振模式. 同时还可以看出,高频段的带宽变得更宽,并且高频段的起始频率往低频移动了,在基本满足S11<-10 dB情况下,其工作阻抗带宽为4.05～5.99 GHz和6.81～8.68 GHz,绝对带宽分别为1 940 MHz和1 870 MHz.高频段的两个带宽没有完全融合,部分原因是受所加载的带状线宽度的影响,考虑到其后期的加工精度,所选的宽度使其高频段中间的频点没有谐振．不同宽度的带状线仿真结果如图4所示．从图中可以看出,当W2=0.4 mm时,高频段的整个带宽内都满足要求.由此表明,加载ENG-TL单元能够使天线工作在更低频率处,实现了天线的小型化.

图3 超材料加载和未加载对天线S11的影响

图4 不同宽度W2对天线S11曲线的影响

3 CSRR加载的多频段天线

3.1 天线结构的设计

由于开口谐振环的磁谐振能产生负磁导率,依据这一思想,本文在原有的单极子天线的不规则六边形主辐射贴片上加载了CSRR缝隙结构,这种结构产生的负等效磁导率作为左手部分的串联支路,和上述ENG-TL结构产生的并联电感共同构成了CRLH-TL的左手部分. 该天线的结构如图5所示,加入CSRR缝隙结构后,并通过多次优化天线模型得到的各参数值如表2所示. 由于加入了CSRR缝隙结构,等效电路图有所变化,图6为变化之后的等效电路图.

(a) 正面图 (b) 侧面图图5 CSRR缝隙加载的天线结构模型

图6 CSRR缝隙加载的天线等效电路图

表2 加载CSRR的天线的详细尺寸参数

3.2 天线实测结果分析

对于前面所述的理论和仿真分析,ENG-TL结构的加载实现了天线的小型化,CSRR缝隙结构的加载实现了天线的多频化.为了验证这些性能的准确性,对其天线模型进行了实物加工,如图7所示. 采用型号为MS2027C的矢量网络分析仪对天线进行测量,测得及仿真的S11曲线如图8所示. 从图中可以看出,两条曲线在低频处的谐振点吻合较好,只是测试曲线的匹配程度有所降低. 从测试曲线中还可以看出,中间和高处频率段的两个谐振模式都离得比较近,从而阻抗带宽减小,但整体趋势相同,这可能由两方面影响:1)由于加载的CSRR缝隙在实物加工时所导致的误差;2)馈线与ACPW地面的距离也可能对其造成影响. 测试结果的频段分别为2.4～2.52 GHz(120 MHz)、3.48～4.36 GHz(880 MHz)、4.68～8.16 GHz(3480 MHz).

图7 天线实物

图8 天线的S11曲线图

图9给出了2.45 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz三个频点的仿真和测试的归一化二维方向图. 该测量结果是在微波暗室中完成的.从图中可以看出:本文提出的多频天线和传统单极子天线的方向图类似,其E面呈现“∞”形,H面呈圆形;天线H面方向图的不圆度加大,E面方向图略微的大声畸变. 这可能因为:1)天线尺寸过小,且采用非对称共面波导馈电方式所引起的;2)在测试过程中,采用的50 Ω同轴电缆产生的电磁散射和二次辐射所致;3)测试仪器所引起的.天线在2.45 GHz处的仿真和测试增益分别为1.43 dB和0.6 dB;在3.5 GHz处的仿真和测试增益分别为3.49 dB和2.6 dB;在5.8 GHz处的仿真和测试增益分别为4.42 dB和3.9 dB.

(a) 2.45 GHz

(b) 3.5 GHz

(c) 5.8 GHz图9 天线各频点归一化二维方向图

下面将本文所设计的小型化、多频段天线与参考文献[6, 10-12]中的天线进行比较,具体内容如表3所示. 从表中可以看出,使用的板材虽然都为FR4(εr=4.4),但板材的高度略有不同. 另外在天线工作频段大致相同的情况下,本文设计的天线在尺寸上有一定的优势.

表3 天线性能对比表

3.3 天线中CSRR结构的电磁参数提取[13]

对天线中加载的CSRR结构进行电磁参数提取,并使用HFSS对CSRR结构进行仿真,得其S参数,并通过MATLAB编程计算,最终获得等效介电常数εr和等效磁导率μr如图10所示．

从图10可以看出在3～4 GHz频带中某一段CSRR相对磁导率的实部为负值,相对介电常数实部虽然出现了抖动但始终大于零．这表明在该频段内CSRR为负磁材料．等效为负磁材料时,CSRR的相对带宽较窄．

(a) 等效介电常数

(b) 等效磁导率图10 提取的电磁参数

4 结 论

本文设计了一款加载ENG-TL结构的单极子天线模型,结果表明加载ENG-TL结构实现了天线的小型化. 另外为了实现天线的多频带,又在此基础上加载了CSRR结构,研究结果表明,加载CSRR结构天线能够实现WLAN(2.4/5.2/5.8 GHz)和WiMAX(3.5/5.8 GHz)频段．本文的结果表明采用超材料结构实现了小型化及多频化,对于工程实践具有参考价值. 后期可以改进加载其他形式CSRR结构来对比哪类结构可以实现最优的结果.

[1] 褚庆昕, 叶亮华. 用于WLAN/WIMAX的双频紧凑型天线[J]. 电波科学学报, 2010, 25(5): 893-898.

CHU Q X, YE L H. Compact dual-band antenna for WLAN/WiMAX applications[J]. Chinese journal of radio science, 2010, 25(5): 893-898.(in Chinese)

[2] 冯雪健,杨利霞, 丁元赫, 等. 一种四频段多L型缝隙天线研究与设计[J]. 电波科学学报, 2016, 31(2): 382-386.

FENG X J, YANG L X, DING Y H, et al.Design and implementation of a four-band microstrip antenna with multi-L-shaped slots fed by coplanar waveguide[J]. Chinese journal of radio science, 2016, 31(2): 382-386.(in Chinese)

[3] LAI A, ITOH T, CALOZ C. Composite right/left-handed transmission line metamaterials [J]. IEEE microwave magazine, 2004, 5(3): 34-50.

[4] IIZUKA H, HALL P S, BORJA A L. Dipole antenna with left-handed loading [J]. antennas and wireless propagation letters, 2006, 5(1): 483-485.

[5] SHEHATA G, MOHANNA M, RABEH M L. Tri-band small monopole antenna based on SRR units[J]. NRIAG journal of astronomy and geophysics, 2015, 4(2): 185-191.

[6] LIU G, LIU Y, GONG S. Compact tri-band wide-slot monopole antenna with dual-ring resonator for WLAN/WiMAX applications[J]. Microwave and optical technology letters, 2016, 58(5): 1097-1101.

[7] WU T, SHI X W, LI P, et al. Tri-band microstrip-fed monopole antenna with dual-polarization characteristics for WLAN and WiMAX applications [J]. Electronics letters, 2013, 49(25): 1597-1598.

[8] JAMILAN S, ANTONIADES M A, NOURINIA J, et al. A compact multiband printed dipole antenna loaded with two unequal parallel NRI-TL metamaterial unit cells [J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2015, 63(9): 4244-4250.

[9] ANTONIADES M A, ELEFTHERIADES G V. Multiband compact printed dipole antennas using NRI-TL metamaterial loading [J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2012, 60(12): 5613-5626.

[10] PANDEESWARI R, RAGHAVAN S. A CPW-fed triple band OCSRR embedded monopole antenna with modified ground for WLAN and WIMAX applications[J]. Microwave and optical technology letters, 2015, 57(10): 2413-2418.

[11] NAIDU P V, MALHOTRA A. A small ACS-fed tri-band antenna employing C and L shaped radiating branches for LTE/WLAN/WiMAX/ITU wireless communication applications [J]. Analog integrated circuits and signal processing, 2015, 85(3): 489-496.

[12] LI X, SHI X W, HU W, et al. Compact triband ACS-fed monopole antenna employing open-ended slots for wireless communication[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2013, 12: 388-391.

[13] SMITH D R, VIER D C, KOSCHNY T, et al. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials[J]. Physical review E statistical nonlinear & soft matter physics, 2005, 71(3):036617