加载超材料单元的小型化双频带缝隙天线

田迎霜，韩丽萍

（山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

0 引言

双频天线可以减少天线数量，提高空间利用率，并且尽可能地节约成本，在无线通信、无线射频识别、无线传感器网络以及多输入多输出系统等方面应用广泛。与传统的天线（如八木天线）相比，微带天线具有重量轻、体积小、易集成、结构简单等优点，在双频天线设计中有较大的灵活性。微带天线通常采用刻蚀缝隙［1-3］、堆叠贴片［4-8］、激励多模［9-10］等方法实现双频。文献［1］中矩形贴片产生2.4 GHz谐振，贴片上刻蚀的对称U形缝隙产生3.5 GHz谐振；文献［3］通过在地板刻蚀非对称T形缝隙，其长臂激励2.4 GHz频段，短臂激励5.8 GHz频段；文献［4］利用上层矩形贴片实现3.4 GHz～3.6 GHz频段，下层E形贴片实现2.3 GHz～3 GHz频段；文献［8］中半径较小的上层圆形贴片产生2.08 GHz谐振，半径较大的下层圆形贴片产生1.575 GHz谐振；文献［9-10］通过激励辐 射 贴 片 的 TM01模 和 TM03（TM02）模 实 现 双频。上述天线往往存在尺寸较大的问题，因此研究小型化双频天线具有广泛的应用前景。

传统的微带天线小型化方法有刻蚀缝隙、加载短路针、采用高介电常数基板等，这些方法存在带宽窄或增益低的问题。超材料［11］是一种具有特殊性质的人造材料，通过设计几何结构可以呈现出天然材料所不具备的超常物理性质，如负折射特性、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射效应等，将超材料应用在微带天线设计中能够减小尺寸，改善带宽、增益等性能。近年来，国内外学者提出几种基于超材料的小型化双频带天线。文献［12］提出双频不等长开口谐振环，在介质基板的两侧对称放置双频开口谐振环阵列，实现2.4 GHz和3.5 GHz频段；文献［13］设计在开口方环外侧加载H形条带的双频带左手材料单元，实现3.54 GHz谐振和5.75 GHz谐振。文献［14］利用蘑菇结构组成的复合左右手传输线激励负一阶和一阶模式实现双频；文献［15］由内部开口谐振环激励零阶谐振3.17 GHz，加载枝节的外部开口谐振环激励一阶谐振5.39 GHz；文献［16］利用T形单极子产生3.54 GHz频段，在馈线两侧对称加载两个左手材料单元产生2.4 GHz频段；文献［17］通过在贴片加载2×2的蘑菇结构，激励蘑菇形超材料传输线的零阶谐振（2.78 GHz）和贴片的TM01模（5.18 GHz）实现双频。上述天线存在带宽窄或尺寸大的问题。本文在天线中加载同向开口谐振环，通过内外环谐振频率的靠近扩展了天线带宽。

本文设计了一个加载超材料单元的小型化双频带缝隙天线。采用微带馈电方式，馈线激励地板上的圆形缝隙产生高频，超材料单元产生低频，同时实现了天线的小型化。天线具有结构简单、尺寸小等优势，应用于无线局域网（WLAN）频段。

1 小型化双频带缝隙天线

1.1 天线结构

天线结构如图1所示，包括三层，上层是刻蚀圆形缝隙的接地板，中间层是介质基板，下层是叉形微带馈线和同向开口谐振环组成的超材料单元。两个同向开口环对称放置，内环采用曲流技术，开口处连接两条平行条带。天线工作在WLAN的2.4 GHz和5 GHz频段，利用电磁仿真软件HFSS V13.0仿真分析。选用相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为0.8 mm的FR4介质基板。优化后参数为：l=w=30 mm，r=10.6 mm，lf=5.3 mm，wf=1.8 mm，ls=2.5 mm，ws=3 mm，lt=5.4 mm，wt=8.4 mm，m=9.4 mm，n=8 mm，w1=0.5 mm，s1=1.4 mm，s2=0.9 mm，s3=0.2 mm，s4=0.5 mm，g1=2 mm，g2=0.4 mm，g3=1.6 mm，n1=2.6 mm，n2=1.7 mm，n3=3.8 mm。

图1 天线结构示意图Fig.1 Configuration of antenna structure

1.2 双频带实现

本文首先设计了一个工作在5 GHz频段的圆形缝隙天线，然后通过在馈线上方放置超材料单元实现2.4 GHz频段的谐振。圆形缝隙的直径约为一个导波波长［18］，谐振频率为：

其中δ为修正因子，用于修正缝隙上、下两侧不同介质层对天线造成的影响，数值与介质基板参数有关。图2给出了圆形缝隙天线的反射系数，从图中可以看出，仿真的-10 dB阻抗带宽为4.69 GHz～5.91 GHz，能够覆盖WLAN的5 GHz频段。

图2 圆形缝隙天线的反射系数Fig.2 S11of circular slot antenna

图3给出了天线产生低频的演化过程。Ant1为加载同向开口谐振环的缝隙天线，Ant2对Ant1的内环采用曲流技术，Ant3为本文提出的天线。图4给出了图3中天线仿真的反射系数曲线，从图中可以看出，同向开口环产生了两个谐振点，外环产生的谐振点用f1表示，内环产生的谐振点用f1′表示。Ant1的f1和f1′间距较大，低频段的-10 dB阻抗带宽为2.53 GHz～2.58 GHz，不 能 覆 盖 WLAN 的 2.4 GHz～2.48 GHz频段。Ant2的内环采用曲流技术，增大了电流路径，f1减小，低频段阻抗带宽为2.47 GHz～2.51 GHz，仅能覆盖2.4 GHz频段的部分范围。Ant3在内环开口处连接两条平行条带，f1′显著减小，与f1组合展宽了低频段带宽，频率范围为2.38 GHz～2.51 GHz，完全覆盖了WLAN的2.4 GHz频段。

图3 天线演化过程Fig.3 Evolution process of antenna

图4 图3中天线的反射系数Fig.4 S11of antennas in Fig.3

为了验证所提出的同向开口环具有超材料特性，在HFSS电磁仿真软件中建立仿真模型，单元结构仿真模型如图5所示，垂直于x轴的两个面设置为端口1和端口2，垂直于y轴的两个面设置为Perfect E，垂直于z轴的两个面设置为Perfect H。仿真得到的S参数如图6所示，利用参数提取法得到结构的有效介电常数和磁导率，如图7所示。从图7中可以看出该结构在2.4 GHz频段体现出负磁导率特性。

图5 超材料单元仿真模型Fig.5 Simulation model of metamaterial unit cell

图6 超材料单元的S参数Fig.6 S-parameters of metamaterial unit cell

图7 超材料单元的有效介电常数和磁导率Fig.7 Effective permittivity and permeability of metamaterial unit cell

2 关键参数分析

通过对天线敏感性分析，发现馈线上矩形槽的长度ls、内外环的间距s2、外环开口g1、馈线总长度l1（=lf+lt）对天线性能影响较大。

图8给出了馈线总长度l1对天线S11的影响。由图可知，l1主要影响高频段，对低频段影响较小。随着l1的减小，高频段右移，带宽展宽，阻抗匹配明显得到改善；低频段谐振频率几乎不变。当l1=10.7 mm时，高频段为4.95 GHz～6.35 GHz，满足WLAN的5 GHz频段要求。

图8 不同l1时的反射系数Fig.8 S11for different l1

图9为馈线上矩形槽的长度ls变化时的天线反射系数。由图可知，ls对低频段有较大影响，高频段几乎不受影响。随着ls的增大，f1略微向高频偏移，f1′明显增加。当ls=2.5 mm时，低频段的-10 dB阻抗带宽为2.3 GHz～2.51 GHz，能够覆盖WLAN的2.4 GHz频段。

图9 不同ls时的反射系数Fig.9 S11for different ls

图10给出了内外环之间的距离s2对天线S11的影响。由图可知，s2的变化主要影响低频段的f1′。随着s2的减小，f1几乎不变，f1′明显向低频偏移。当s2=0.9 mm时，-10 dB阻抗带宽满足WLAN的2.4 GHz频段范围。

图10 不同s2时的反射系数Fig.10 S11for different s2

图11为外环开口大小g1变化时对天线反射系数的影响。由图可知，g1主要影响低频段。随着g1的减小，f1略微向低频偏移，f1′明显向低频偏移。当g1=2 mm时，低频段能够覆盖WLAN的2.4 GHz频段范围。

图11 不同g1时的反射系数Fig.11 S11for different g1

3 结果与讨论

天线印制在相对介电常数为4.4的FR4介质基板上，图12为天线的实物图，采用Agilent公司N5221A矢量网络分析仪测量天线的反射系数，Lab-Volt公司8092型自动天线测量系统测量天线的方向图。

图12 天线实物图Fig.12 Fabricated prototypes of antenna

图13为天线仿真和测试得到的反射系数。从图中可以看出，实测结果与仿真结果基本一致，满足了WLAN的应用。仿真的-10 dB阻抗带宽分别为 5.3%（2.38 GHz～2.51 GHz）和24.8%（4.95 GHz～6.35 GHz）；测试的阻抗带宽 分 别 为 4.07%（2.41 GHz～2.51 GHz）和20.64%（4.78 GHz～5.88 GHz）。测试结果和仿真结果的误差源于天线加工时的偏差。

图13 天线的反射系数Fig.13 S11of antenna

图14给出了天线在2.4 GHz和5.45 GHz的归一化辐射方向图。从图中可以看出，仿真与测试的结果基本一致，在E面是8字形，H面呈全向辐射。

图14 天线辐射方向图Fig.14 Radiation patterns of antenna

最后，表1给出了本文和文献中双频微带天线的性能比较。由表可知，除文献［12，16］的天线外，本文天线尺寸最小。和较小尺寸的天线［12，16］相比，本文在两个频段的带宽和增益均有显著提高。和尺寸接近的天线［15］相比，本文在两个频段的带宽得到了拓展。

表1 双频微带天线的性能Table 1 Performance of miniaturized dual-band microstrip antennas

4 结论

本文设计了一种加载超材料单元的小型化双频带缝隙天线。微带馈线激励圆形缝隙实现高频段，开口谐振环实现低频段，实现双频带的同时天线得以小型化。测试结果表明：天线-10 dB阻抗带宽分别达到4.07%（2.41 GHz～2.51 GHz）和 20.64%（4.78 GHz～5.88 GHz），尺 寸 为0.24λ0×0.24λ0。该天线尺寸较小，结构简单，易于加工且具有良好的辐射性能，可以用于WLAN频段。