一种小型特殊形状圆极化多频谐波天线设计*

林 丽李 星

(1.沈阳开放大学理工学院，辽宁 沈阳110003，2.沈阳建筑大学理学院，辽宁 沈阳 110168)

在当前通信天线小型化设计过程中，通常认为复合右/左传输技术是最有效的方法[1-4]，可以提供左手(left-handed，LH)和右手(right-handed，RH)传播，并能够改善阻抗匹配[5]。另一种主流技术则主要用于微波器件和滤波器的介质谐振器，介质谐振器天线(dielectric resonator antenna，DRA)具有低损耗、高增益和高效率等优点[6]，但缺点是价格较高。DRA 具有多种应用前景，如圆极化天线和多波段的圆柱形DRA。近年来，研究人员发现，DRA 可以有效改善天线的增益和带宽。例如:Sharma 等[7]通过接地层和电磁带隙负载构造了一个CRLH 结构，并通过空矩形DRA 产生了有良好辐射方向图的双模结果，改善了带宽并减小了天线的尺寸。此外，圆极化被用来提高传输链路的预算和减少由线偏振波引起的偏振失配。Gupta 等人[8]提出用口径耦合馈电的天线来实现双圆极化DRA。Varshney 等人[9]讨论了双频圆极化DRA。该天线由三角形环形孔径馈电，可以控制LH 圆极化和RH 圆极化。另一方面，基于耦合特性的二次谐波天线在双频和雷达谐波检测中得到了广泛的应用，紧凑型圆极化天线的需求不断增加。

本文利用寄生环路提供二次谐波特性，设计并制造了一种结合CRLH 与介质负载的紧凑型天线原型，实现了圆极化的多频段谐振。首先，设计了环形天线和CRLH，并使用寄生元件来增加谐振次数和控制谐波。其次，增加了一个介电层来提高增益和调整带宽。与用传统CRLH 技术制造的天线相比，CRLH 与介质部分的相互作用提供了更紧凑的尺寸。在2.4 GHz 和5.5 GHz 两个谐振情况下，将实验结果与现有的模型进行了性能分析比较。

1 原理分析

微带曲折线是一种串联电感和电容的结构，该结构的几何形状和等效电路模型如图1 所示。

如图1(a)所示，微带曲折线由几个小微带部分组成。必须将每一段微带产生的电感组合起来，才能计算出该结构的电感。根据导体中电流的方向，两个导体之间的互感可以是正的，也可以是负的。如果这两条传输线的电流相同，则互感为正值，否则为负值。负耦合会降低总电感。对于距离较近的导体，耦合效应较高。相互垂直的导体之间有轻微的耦合。此外，具通孔微带线被视为并联电感。采用寄生环路(外环)来产生二次谐波[10-11]，以提高天线的带宽。

计算每个电感的方式如下:

式中:l为导线长度，W为线宽，t为导线铜厚。

互感的计算方式为:

式中:le和d分别为平行导体的有效长度和距离，单位为μm。例如图1(d)的总电感等于:

2 天线设计

所提基于CRLH-DRA 负载的天线设计如图2所示。该天线由三个部分组成。底层包含微带环贴片，该贴片连接到SMA 50 Ω 连接器上，如图2(a)所示。此外，在该结构中增加了一个寄生环路，以提高带宽，从而提供二次谐波特性。

图2 所提谐波天线的设计

该天线的中间部分有一个介电负载，是通过三个CRLH 单元连接而成的。它们相互连接，以120°的角度排列，垂直于微带环贴片。每个单元具有曲折形状的微带线。一侧为左手电容，另一侧为左手电感，并使用穿过电介质的通孔进行连接，如图2(b)所示。曲折元件连接到底侧的环上，而矩形条利用通孔接地。上部有一个圆柱形的电介质。通孔(半径为0.6 mm)布局和接地层视图如图2(c)所示。

该紧凑型天线设计具有高增益和圆极化的多频特性。为了提高天线的效率和阻抗匹配性，在结构的顶部使用了介质层。此外，还利用缺陷接地结构来控制电流，以提高天线的带宽。介质透镜尺寸是控制天线谐振和匹配的重要因素，本文主要考虑的参数为圆柱盘的厚度(h1)。h1变化时的天线回波损耗仿真如图3 所示。

图3 h1 变化时的天线回波损耗仿真

如图3 所示，h1从0.8 mm 到4 mm 变化。与其他情况相比，厚度为2.4 mm 的最佳匹配值大于20 dB。因此，h1对共振频率的影响有限，可以将2.4 mm 和3.2 mm 的厚度设为最佳值。因此，天线尺寸参数如下:D1=26.4 mm、D2=0.8 mm、h1=3.2 mm、h2=10 mm、h3=1.6 mm、h4=1.6 mm、L1=8.8 mm、R1=10 mm、R2=12.5 mm、W1=12.5 mm、W2=1.5 mm、W3=1 mm 和Wsub=32 mm。

3 实验结果与分析

3.1 仿真与测量结果对比

基于有限元方法，利用Ansoft HFSS 软件对天线进行仿真。测量由网络分析仪HP8710 完成。同时，采用低成本的FR-4 介质制作出该天线原型，如图4 所示。

图4 所制作的天线原型

通过仿真和测量，并与没有寄生环路的结构进行比较，得出了天线回波损耗如图5 所示。

图5 天线回波损耗

通过对比可以看出，所提天线中采用的寄生环可以显著提高带宽和匹配度。此外，观察发现，所提天线有四频(S11＜-6 dB)，频率为2.25 GHz(个人无线应用)、2.8 GHz(蓝牙和LTE 应用)、4.5 GHz(WiMAX 应用)和6 GHz。这些波段的带宽分别为3.7%、8.5%、5.3%和18.5%。仿真结果与实测数据吻合良好。

天线原型的电流分布仿真结果如图6 所示。

由图6 可以看出电流是如何通过结点转移到曲折环路的。首先，通孔将电流从曲折段传递到微带线。然后，另一个通孔将该传输线连接到接地层。如前所述，天线有一个寄生元件，这个元件的影响可以在2.25 GHz 和4.5 GHz 处看到。随着频率的增加，寄生元件效应减小，而对于4.5 GHz 的二次谐波，电流集中在曲折部分的程度大于2.25 GHz 的一次谐波。。

图6 天线原型的电流分布

所有谐振的天线三维方向图和增益如图7所示。

图7 天线三维方向图和增益

如图7 所示，天线的增益对于第一次谐振是负值，而环路之间的耦合使第二次谐波产生谐振。对于2.25 GHz 的第一次谐振，天线电流集中在环路上(图6(a))，因此曲折线对场控制没有任何影响。这种耦合导致此谐振的低增益约为-6 dB(图7(a))。然而，在4.5 GHz 的二次谐波中，耦合和曲折线之间的相互作用最终导致模式失真，如图7(c)所示。在2.8 GHz 的二次谐振中，耦合效应急剧减弱，介质弯曲起主要作用。因此，可以预测该谐振的更高增益和方向性。在6 GHz 的二次谐波时，增益增加到6 dB(图7(d))。当Phi=0°和90°时，天线在6 GHz 时的辐射方向图如图7(e)所示。

3.2 与以往研究的比较

本节将天线原型的性能与其他文献在2.4 GHz和5.5 GHz 下的研究结果进行了比较，结果如表1和表2 所示。

表1 2.4 GHz 时的天线性能比较

表2 5.5 GHz 时的天线性能比较

上述结果表明，该天线原型在2.4 GHz 具有较低的增益，但天线尺寸比其他类型的天线(如缝隙天线)更紧凑。特别是大部分增益较高的天线谐振次数有限，而该天线有四个谐振频率。在5.5 GHz频段，该天线表现出了高增益、高带宽、高圆极化等优点，与以往的其他型号天线相比有很大的优势。

4 结语

本文设计了一种具有较高增益的紧凑型天线。该天线主要综合了两种重要的天线设计方法。CRLH 技术用于实现尺寸小型化，而介质负载则用于更高的增益和更高的带宽。仿真和实验结果表明，采用特殊形状将CRLH 技术和DRA 技术相结合，可以获得圆极化特性。该多频段天线具有成本低、重量轻、增益高、带宽大、匹配性好等特点，是覆盖无线通信系统所需各种频段的理想候选天线。