零階諧振復(fù)合左／右手傳輸線頻率可調(diào)天線

李 艷，馮全源

（西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了在不同微波頻段的各種通信方式，如全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、移動(dòng)通信系統(tǒng)、藍(lán)牙通信和無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）等，移動(dòng)通信的發(fā)展對(duì)設(shè)備小型化、多頻段的要求越來(lái)越苛刻，為了節(jié)約空間，單個(gè)移動(dòng)終端需要同時(shí)具有在寬頻帶或者多個(gè)離散的頻段工作的能力。近些年，對(duì)小型化和寬頻段進(jìn)行了廣泛的研究［1－3］。

隨著超材料的研究，尤其是對(duì)復(fù)合左右手傳輸線的廣泛研究［4－6］，零階諧振器的特性為實(shí)現(xiàn)天線的小型化開(kāi)辟了一條新的思路［7－10］。然而，盡管天線尺寸足夠小，但是由于此類(lèi)天線的帶寬窄，無(wú)法適應(yīng)實(shí)際的無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)天線寬帶的要求。

最近幾年，大量關(guān)于如何擴(kuò)展零階諧振天線的研究應(yīng)運(yùn)而生［11－15］。盡管采取了各種增加零階諧振天線的方法，但是帶寬還是無(wú)法滿足無(wú)線通信系統(tǒng)要求。為了實(shí)現(xiàn)更寬的頻段，更多學(xué)者趨向于用可調(diào)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶。

目前國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)天線可調(diào)諧設(shè)計(jì)的主要手段有：調(diào)節(jié)物理結(jié)構(gòu)［16］；采用鐵電材料、鐵氧體、列向液晶等電磁特性可變材料作為天線基板［17］；加載PN 二極管［18］、MEMS開(kāi)關(guān)［19］、可變電容等集總可變?cè)?0－24］。由于可變電容器具有在一定范圍內(nèi)電容值連續(xù)變化的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)外接偏置壓的變化能夠?qū)μ炀€進(jìn)行連續(xù)調(diào)控，因此通過(guò)變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)天線頻率可調(diào)的居多，但是這些天線存在天線尺寸大、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等缺點(diǎn)。為此，本文提出了基于復(fù)合左右手傳輸線的頻率可調(diào)零階諧振天線。

1 復(fù)合左／右手傳輸線理論及其應(yīng)用

1.1 復(fù)合左／右手傳輸線理論

復(fù) 合 左／右 手 傳 輸 線 （Composite right／left handed transmission line，CRLH－TL）是超材料的微帶線實(shí)現(xiàn)形式，根據(jù)引入左手LC元件的不同程度，基于LC網(wǎng)絡(luò)的CRLH傳輸線的實(shí)現(xiàn)類(lèi)型可以劃分為三種：雙負(fù)（Double Negative，DNG）傳輸線、負(fù)介電常數(shù)（Epsilon Negative，ENG）傳輸線和負(fù)磁導(dǎo)率（Miu Negative，MNG）傳輸線。根據(jù)Bloch–Floquet理論［25］，可以推出復(fù)合左／右手傳輸線理想模型的傳播相位常數(shù)為

其中p為單元結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，Z為串聯(lián)阻抗，Y為并聯(lián)導(dǎo)納。

圖1為ENG傳輸線的理想模型［21］，可以看出ENG傳輸線的串聯(lián)阻抗Z和并聯(lián)導(dǎo)納Y為：

將式（2）帶入式（1）中可得

其中

圖1 ENG傳輸線理想等效模型Fig.1 Equivalent circuit models for the ideal ENG transmission line

1.2 零階諧振器原理

DNG和ENG傳輸線均有零階模式，其諧振頻率wn與對(duì)應(yīng)的物理長(zhǎng)度l或電長(zhǎng)度θ滿足如下的關(guān)系：

當(dāng)傳輸線終端開(kāi)路或短路時(shí)，諧振器將工作在零階諧振頻率（wse或wsh），即所謂的零階諧振器，此時(shí)該諧振頻率僅與單元模型的電抗參數(shù)（CR、LR、CL、LL）有關(guān)，而與諧振器的物理尺寸無(wú)關(guān)，這表明諧振器尺寸可以在很大程度上減小，尺寸減少的限制變?yōu)榧庸ぶ谱骷夹g(shù)實(shí)現(xiàn)所需LC值元件的最小尺寸。因此，利用零階諧振器特性可以實(shí)現(xiàn)天線小型化。而當(dāng)終端短路時(shí)，改變電抗參數(shù)（LR、CL）可以改變零階諧振頻率，即在不改變天線理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)加載變?nèi)荻O管，間接改變CR值可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的頻率可調(diào)。

2 頻率可調(diào)的零階諧振天線

圖2為本文設(shè)計(jì)的可調(diào)諧天線，該天線采用50Ω非共面波導(dǎo)饋電，并且設(shè)計(jì)在厚度為0.8mm，介電常數(shù)為3.5，損耗為0.001的F4BM350基板上，天線尺寸為13mm×14mm×0.8mm，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。為構(gòu)造符合ENG傳輸線頻率可調(diào)諧結(jié)構(gòu)，在輻射貼片和地面之間加載帶狀線，以產(chǎn)生左手電感（LL），而輻射貼片本身產(chǎn)生右手電感（LR），輻射貼片和地面之間的縫隙產(chǎn)生右手電容（CR），通過(guò)在地面與輻射貼片之間加載變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)了較寬頻段的可調(diào)。其等效電路模型圖如圖3所示。

由式（1）可以推出該天線等效電路模型的相位傳播常數(shù)為：

當(dāng)β＝0時(shí)，諧振頻率為零階諧振頻率，由式（6）可推出，其諧振頻率為

公式（7）表明，零階諧振頻率隨著變?nèi)荻O管的增大而降低，因而實(shí)現(xiàn)了頻率的連續(xù)可調(diào)。

圖2 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Geometric of the proposed antenna

圖3 天線等效電路模型圖Fig.3 Equivalent circuit model for the proposed antenna

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Tab.1 The parameters of the proposed antenna mm

3 仿真測(cè)試及分析

圖4為可調(diào)天線回波損耗隨變?nèi)荻O管電容值（CV）的變化曲線圖，從圖中可以看出，零階諧振頻率隨著變?nèi)荻O管電容值的增大而降低，與前面理論相當(dāng)吻合。當(dāng)變?nèi)荻O管的電容值在0.2～2.6 pf變化時(shí)，諧振頻率變化范圍為2.46～1.57GHz，可調(diào)范圍為890MHz。表2給出了變?nèi)荻O管同變?nèi)葜祵?duì)應(yīng)的諧振頻率點(diǎn)。

圖4 天線回波損耗曲線圖Fig.4 The S11curve of the antenna

表2 不同電容值處諧振頻率點(diǎn)Tab.2 The resonant frequency of different Cv

圖5給出了可調(diào)天線CV在0.2pf，1.0pf，1.8 pf，2.6pf處的E面（y－z）和 H 面（x－z）輻射方向圖。從圖中可以看出該天線在不同電容值處呈現(xiàn)出相似的輻射特性，在E面，方向圖呈現(xiàn)“8”字型，在H面呈現(xiàn)全向性，說(shuō)明此天線具有穩(wěn)定的輻射特性。

圖5 CV為0.2pf，1.0pf，1.8pf，2.6pf處輻射方向圖Fig.5 Radiation patterns at CV＝0.2pf，1.0pf，1.8pf and 2.6pf

4 結(jié)論

本文提出了一款基于復(fù)合左／右手傳輸線理論的頻率可調(diào)天線。該天線采用零階諧振器的特性減小了尺寸，通過(guò)在地面與輻射貼片之間加載變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)了較寬頻段的頻率可調(diào)。天線尺寸為13mm×14mm×0.8mm。仿真表明天線的可調(diào)范圍為1.57～2.46GHz，并且在可調(diào)范圍內(nèi)，天線的輻射方向基本上保持不變。該天線具有尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輻射性穩(wěn)定的特點(diǎn)，適合于數(shù)字通信系統(tǒng)、個(gè)人通信系統(tǒng)、通用移動(dòng)通信系統(tǒng)和藍(lán)牙等無(wú)線通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

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