基于复合左右手传输线的小型化频率可重构天线

杨 虹何 莉张红升

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

近年来，超材料(metamaterials，MTMs)由于具备传统材料所不具备的特殊性质，在微波器件和电路中引起了广泛的关注[1－2]。常见的MTMs 包括复合左右手传输线(Composite Right/Left Handed Transmission Line，CRLH-TL)、负介电常数传输线(Epsilon-Negative Transmission Line，ENG-TL)和负磁导率传输线(Mu-Negative Transmission Line，MNG-TL)[3－6]。CRLH-TL具有零阶谐振(Zeroth-Order Resonance，ZOR)特性，是设计紧凑型天线的合适材料[7－8]。在ZOR 模型中，当谐振频率为非零时，相位常数为零。天线频率不受天线谐振器物理尺寸的影响，为实现天线小型化提供了可能。

为了实现紧凑型天线，文献[9]中报道了一种交指电容加载的ZOR 天线，其带宽为15.1%，峰值辐射增益为1.62 dBi。在文献[10]中，作者提出了一种非对称共面波导(Asymmetric Coplanar Waveguide，ACPW)馈电的ZOR 天线，并将带宽扩展到109.1%。终端短路CRLH-TL 的ZOR 和一阶正向谐振(First-Positive-Order Resonance，FPOR)分别是半个和一个波长共振。文献[11]提出了一种紧凑型ENG-TL 天线，其带宽在5.25 GHz～13 GHz 的宽频范围内，覆盖了UWB 通信的上工作频带。

基于CRLH 的频率可重构天线不仅可以实现小型化，而且可以在小型化的基础上实现变频功能。目前，频率可重构天线中使用了各种开关，如变容二极管[12]、PIN 二极管[13]和微电子机械系统(MEMS)[14]。

本文提出了一种新颖的频率可重构小型化CRLH-TL 天线。该天线由双螺旋结构、叉指结构、通孔结构和PIN 二极管构成，在实现复合左右手传输线的基础上，还可以实现频率的转换。

1 天线设计与分析

本文设计的频率可重构CRLH-TL 天线的几何结构如图1 所示。复合左右手传输线可分为谐振型CRLH-TL 和非谐振型CRLH-TL，谐振型CRLH-TL由开口谐振环和金属棒组成，非谐振型CRLH-TL 由折线结构、叉指结构和过孔等方式实现，非谐振CRLH-TL 可更好地实现平面射频器件的集成化[15]。

图1 CRLH-TL 天线结构示意图

本文设计的天线是由双螺旋结构、叉指结构、通孔结构和PIN 二极管组成。天线的厚度为1.6 mm、相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02，基板材料为FR4。天线的尺寸只有16.5 mm×15.2 mm。

1.1 CRLH-TL 理论与天线结构

无损耗CRLH-TL 单元的等效电路模型由左手单元和右手单元组成。串联电容器CL和并联电感LL代表左手单元，而串联电感LR和并联电容器CR代表右手单元。CRLH-TL 单元的色散关系β(ω)可表示如下[16]:

β(ω)是传播常数，p是单元的物理长度。如果N个单元串联级联，则 CRLH-TL 的共振条件表示为[16]]:

式中:βn为第n阶谐振的传播常数，N为常数，n和l分别为谐振阶数和谐振器的总长度。当n＝0 时，ZOR 会被激发。

天线的等效电路模型如图2 所示。在建模过程中，采用PIN 二极管(型号:SMP 1322)来控制频率的变化。图2(a)显示了二极管导通状态下的天线等效电路模型，图2(b)显示了二极管断开状态下的天线等效电路模型。双螺旋结构和叉指结构构成了右手电感和左手电容，双螺旋结构中心的两个通孔接地构成了左手电感，结合贴片本身与金属地之间的右手电容，从而构成了π 型复合左右手传输线结构。

图2 天线的等效电路模型

将天线单元进行周期性仿真，将得到其S参数，根据文献[17]绘制色散图:

色散图如图3 所示，横轴为色散值β，当色散值趋于零时，则为零阶谐振(ZOR)，从图中可以看出，零阶谐振点为2.4 GHz。其中，零阶谐振点为:

图3 CRLH-TL 单元色散图

以串联阻抗和并联导纳表示的特性阻抗由下式给出:

1.2 天线参数分析

利用HFSS 软件仿真了天线在二极管开关状态下的回波损耗。串联谐振频率fse与左手电容CL和右手电感LR有关，并联谐振频率fsh与右手电容CR和左手电感LL有关。左手电容受到双螺旋间隙宽度的影响，左手电感受到叉指长度的影响。因此，本文选取双螺旋间隙宽度g2、W2和g4作为主要结构参数。为了保证参数分析的合理性，本文采用控制变量法。g2、W2和g4的初始值分别为0.6 mm、1.4 mm 和0.9 mm。在其他参数不变的情况下，依次增大参数。

如图4 所示，当二极管导通和断开时，g2分别增大。可以看出，当二极管导通时，随着g2的增大，谐振频率点有明显的左移。当二极管断开时，第三个谐振频率点有较大幅度的左移。当g2增大时，此时左手电容增大，串联谐振频率减小。

图4 不同g2 参数天线的回波损耗

然后，在其他参数不变的情况下，改变W2，如图5 所示。当二极管导通时，随着W2的增大，两个频点几乎没有变化。当二极管断开时，3.48 GHz 频点左移，4.04 GHz 频点右移，这是因为W2可以同时控制左手电容和右手电感，也再次验证了该天线同时具有左手特性和右手特性。

图5 不同W2 参数天线的回波损耗

最后，为探讨PIN 二极管所在位置对结果的影响，本文再对双螺旋结构和上部的金属贴片之间的间距g4进行讨论，如图6 所示。在二极管导通时，低频点没有明显的移动，高频点有明显的左移，这是因为右手电感的增大。在二极管断开时，第二个频点即3.48 GHz 有明显的右移，这是因为左手电容的增大。

图6 不同g4 参数天线的回波损耗

如上的参数扫描，利用HFSS 仿真软件对天线的各个参数进行优化，最终天线的具体尺寸如表1所示。采用这样的尺寸，天线的性能达到最好。

表1 天线结构尺寸表 单位:mm

2 天线的结构与分析

2.1 天线实物测试结果

本文设计的WLAN 频段频率可重构复合左右手传输线天线的尺寸为0.129λ0×0.119λ0×0.013λ0。基板采用相对介电常数为4.4 的FR4 介质进行加工和测试。天线实物及测试结果如图7 所示。分别测试当二极管开或关时回波损耗结果，用矢量网络分析仪进行测试，其中测量结果如图8 所示。实测和仿真的结果没有百分之百重合，这是因为在实物加工时天线尺寸有微小的误差，且在测试时SMA 接口有部分的电磁波泄漏。但总体看来无论是二极管导通时还是断开时，这两条回波损耗曲线图是基本重合的，再次验证了天线的准确性。

图7 天线实物及测试环境

图8 天线仿真和实测的回波损耗

2.2 天线的方向图

图9 描绘了该天线当二极管导通时在2.35 GHz、4.05 GHz 频点，当二极管断开时在2.39 GHz、3.48 GHz、4.04 GHz 和5.81 GHz 频点的三维辐射图。XOZ平面为E平面，YOZ平面为H平面。E面和H面都具有几乎全向的辐射。被测图形的波纹可归因于馈电连接器的转换头有一定的电磁波泄漏，且由于实测设备限制，方向图的扫描分辨率为7.5°，与仿真时设置的1°有所差异，但总体的方向图是重合的。且交叉极化增益和主极化增益相差较多，因此交叉极化对天线的干扰可以几乎不计。

图9 天线仿真和实测的方向图对比

表2 是本文设计的紧凑型复合左右手传输线天线关键参数与文献[18－20]的对比表。表中调谐比为fmax/fmin，天线的工作频段都为1 GHz～8 GHz，所有设计的天线都是基于复合左右手传输线。

由表2 可见，本文所设计的天线在尺寸上具有优势。

表2 本文与近几年论文对比

3 结论

该天线是一种紧凑型CRLH 传输线的频率可重构天线，由π 型非谐振CRLH 传输线单元加载。利用基于CRLH 传输线理论的色散图分析了零阶谐振特征。通过控制PIN 二极管开关，天线可以在双波段和四波段之间切换。测量结果回波损耗小于－10 dB 的频点，分别为2.35 GHz、4.05 GHz、2.39 GHz、3.48 GHz、4.04 GHz 和5.81 GHz。所提出的紧凑型天线可应用于集成紧凑型无线通信系统中。