基于CRLH TL的小型化寬頻帶手機天線設計*

于磊+黃斌科+聶成成

【摘要】主要闡述基于復合左右手傳輸線（CRLH TL）零階諧振模設計小型化寬頻帶的手機天線。該天線低頻段由尺寸較大的零階諧振天線決定，高頻段由尺寸較小的零階諧振天線決定，尺寸較大的零階諧振天線的右手模式與尺寸較小的零階諧振天線的零階諧振模諧振在相鄰的頻帶上實現頻帶融合，從而擴展高頻段的帶寬。該天線覆蓋了GSM900、PCS、UMTS、Bluetooth和ISM2400五個移動通信頻帶，天線厚度僅為1mm，所占面積為37×15mm2。測試結果與仿真結果吻合，滿足移動通信終端對手機天線的要求。

【關鍵詞】復合左右手傳輸線手機天線零階諧振模帶寬擴展

中圖分類號：TN828.6文獻標識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-10-0074-05

Design of Miniaturized Broadband Phone Antenna Based on CRLH TL

YU Lei, HUANG Bin-ke, NIE Cheng-cheng

(The School of Electronic and Information Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

[Abstract] In this paper, the miniaturized broadband phone antenna is designed based on composite right/left-handed transmission line (CRLH TL) zeroth-order resonant (ZOR) mode. The low frequency of this antenna is determined by the longer ZOR antenna, while the high frequency is determined by the shorter ZOR antenna. The right-handed mode of the longer ZOR antenna and the ZOR mode of the shorter one can be merged to extend the bandwidth of high band if their resonant frequencies are adjacent. The antenna covers GSM900, PCS, UMTS, Bluetooth and ISM2400 frequency bands. Its thickness is only 1mm and its area is 37×15mm2. The test results agree well with the simulation results, which meets the requirements of mobile communication terminals for phone antennas.

[Key words]CRLH TLphone antennasZOR modebandwidth extension

1 引言

手機通信中通過天線實現調制到射頻頻率信號的發(fā)射和接收，因此，沒有了天線就沒有了移動通信。傳統(tǒng)的手機天線有單極子、螺旋天線、貼片天線和平面倒F天線等，這些天線有一個共同點，即它們的諧振頻率與天線的物理尺寸有關，不易進行小型化和寬頻帶的設計。為了克服這些問題，本文采用CRLH TL設計手機天線。

CRLH TL是一種人工實現的超材料結構，它的零階諧振模式和左手諧振模式與天線的物理尺寸無關，只與天線寄生的集總參數有關。基于這種特性，在保證天線性能的情況下，可以實現小型化和寬頻帶。另外，CRLH TL還具有損耗小、頻帶寬和易于實現的優(yōu)點，因此廣泛應用于微波器件和天線設計中[1-2]。

近年來，將基于CRLH TL零階諧振模的天線應用于移動通信手機系統(tǒng)中[3-4]，在天線低頻段覆蓋GSM850，高頻段覆蓋DCS、PCS和UMTS頻段。由于單個諧振模的帶寬有限，不能滿足移動通信對帶寬的要求，基于CRLH TL的兩個零階諧振模諧振在相鄰的頻率點上，頻帶相互融合從而擴展手機天線的帶寬[5]；另外，對于CRLH TL網絡，多個諧振模式共存，可以將相鄰的模式融合來擴展頻帶，文獻[6]中將零階模與負一階模融合以增強手機天線的帶寬。

本文基于CRLH TL零階模理論設計了小型化多頻帶的手機內置天線。天線的厚度僅為1mm，可同時覆蓋GSM900（890—960MHz）、PCS（1 850—1 990MHz）、UMTS（1 920—2 170MHz）、Bluetooth（2 400—2 485MHz）、ISM2400（2 400— 2 550MHz）五個移動通信頻帶。

2 零階諧振模理論

如圖1所示，典型的CRLH TL等效電路是由串聯電容、串聯電感、并聯電容和并聯電感組成。

圖1CRLH TL的等效電路

對于有耗CRLH TL，其電抗和導納可以表示如下：

（1）

（2）

其中，R、G分別為有耗CRLH TL的串聯電阻和并聯電導。由串聯電容、電感和并聯電容、電感組成支路所對應的諧振頻率分別為：

（3）

（4）

由N個CRLH TL單元級聯而組成的周期結構可稱為LC網絡，對于終端開路的CRLH TL，各個諧振模式發(fā)生在[7]：

（5）

其中，l、n、N分別為CRLH TL的物理長度、諧振模數和單元數。

如圖2所示，非平衡的CRLH TL有兩個不相等的零階諧振頻率ωse和ωsh。

圖2CRLH TL的色散曲線

對于終端開路傳輸線，ZL=∞，從CRLH TL的始端看進去的輸入阻抗為：

（6）

其中，Y＇shunt是CRLH TL的單元的導納。由式（6）可見，對于終端開路的CRLH TL，其輸入阻抗只與單元的并聯導納的倒數和單元數有關，則平均電能儲存在電容CR中，平均磁能儲存在電感LL中，因此有：

NCR （7）

（8）

傳輸線諧振時滿足We=Wm，則對應的品質因數為：

（9）

對于終端開路的CRLH TL，帶寬與品質因數的關系為：

BW （10）

endprint

由式（10）可以看出，在同時增大并聯電感LL和減小并聯電容CR并保持并聯諧振頻率不變時，可使零階諧振模的帶寬有效擴寬。

3 基于CRLH TL零階模的天線設計

本文基于CRLH TL單元實現手機天線設計。

如圖3所示，A和B為輻射金屬貼片；F為曲折饋線，印制在PCB板的上側；C和D為曲折短路線，印制在PCB板的下側；E為饋電端口；G為連接上側輻射金屬貼片和下側曲折短路線的金屬過孔。該天線可視作由兩個相反方向上的零階諧振天線組成。由輻射金屬貼片A、金屬過孔和連接地面的曲折短路線C組成的零階諧振天線工作在較低的頻段；由輻射金屬貼片B、金屬過孔和連接地面的曲折短路線D組成的零階諧振天線工作在較高的頻段。饋線F與輻射金屬貼片A和B之間的間隔提供串聯（左手）電容CL，曲折短路線C和D提供并聯（左手）電感LL，輻射金屬貼片A和B工作在右手模式提供串聯電感LR和并聯電容CR。由零階諧振模理論可知，零階模的諧振頻率及帶寬擴展由并聯參數決定，在天線結構允許的情況下，并聯電感LL應盡量大些。對于固定的輻射金屬貼片A和B，通過調節(jié)曲折金屬線C和D的長度來調節(jié)諧振頻率。輻射金屬貼片A和曲折短路線C的高階模式也工作在高頻段，其諧振頻率由饋電點到曲折短路線C連接地面的短路點之間的總長度決定。通過合理設計，可以與輻射金屬貼片B和曲折短路線D組成的零階諧振模融合，從而擴展高頻帶寬。曲折饋線等效于一個帶阻濾波器，可減小由BD組成的零階諧振天線對由AC組成的零階諧振天線零階模的影響。

圖3基于CRLH TL零階模天線的設計

4 結果分析

該天線的尺寸參數和基本結構如圖4所示。天線印制在介質FR4（εr=4.4）表面，介質板的整體尺寸為40×100×1mm3，其中天線所占面積為37×15mm2。饋線的寬度為0.5mm，曲折短路線的寬度為0.4mm，金屬過孔的半徑為0.2mm，天線使用特征阻抗為50?的同軸線饋電。

天線在不同頻點上的電流分布如圖5所示。

圖5（a）是頻率為930MHz的電流分布圖，天線上的電流集中分布在由輻射金屬貼片A和曲折短路線C組成的零階諧振輻射部分。圖5（b）、圖5（c）、圖5（d）分別是頻率為1 900MHz、2 080MHz和2 500MHz的電流分布圖，可見天線的電流分布由兩部分組成：一是由輻射金屬貼片B和曲折短路線D組成的零階諧振輻射部分；二是從饋電點到曲折短路線C的短路點這一路徑，為高階諧振模式。由此可見，在高頻區(qū)域，天線的諧振帶寬是由BD部分的零階諧振模式和AC部分的高階模式融合而實現帶寬擴展的。

基于CRLH TL零階諧振模天線的反射系數如圖6所示。

圖6（a）中分別對只有AC組成的零階諧振天線、BD組成的零階諧振天線和整個天線進行仿真設計。由此可以看出，AC部分的諧振在低頻段，高頻段也有一定的諧振；BD部分的諧振在高頻段，低頻段幾乎無諧振；整個天線在高低頻均有諧振，在S11≤-6dB的情況下，帶寬覆蓋GSM900、PCS、UMTS、Bluetooth和ISM2400五個移動通信頻段。AC組成的零階諧振天線與整個天線相比可以看出，低頻段的零階諧振幾乎無變化，這說明曲折饋線可以有效地減小BD組成的零階諧振天線對AC組成的零階諧振天線零階模的影響。圖6（b）為基于CRLH TL的手機天線的仿真結果與測試結果的反射系數，測試結果與仿真結果基本吻合，滿足移動通信對帶寬的要求。

天線在水平面上（xoz或H面，坐標見圖4）的增益方向圖近似全向，在工作頻帶上均滿足移動通信對手機內置天線的要求。

5 結論

本文基于CRLH TL零階模設計實現了覆蓋五個移動通信頻帶的手機天線。天線的厚度為1mm，所占面積為37×15mm2，與傳統(tǒng)的PIFA天線相比，基于CRLH TL零階諧振模的天線具有低剖面、小型化和易于集成的優(yōu)點。該天線工作帶寬的仿真結果與測試結果基本吻合，滿足移動通信對手機天線的性能要求。

參考文獻：

[1] 龔建強,褚慶昕. 基于CRLH傳輸線結構實現平面微波器件的小型化[J]. 微波學報, 2009,25(1): 60-63.

[2] 杜國宏,唐小宏. 基于D-CRLH傳輸線的帶阻濾波器[J]. 微波學報, 2011,27(1): 64-67.

[3] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multiband Antenna Based on CRLH TL ZOR for Wireless Mobile System[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2009,51(12): 2852-2855.

[4] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multi-band Antenna Based on DNG ZOR for Wireless Mobile System[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009,8(1): 920-923.

[5] Soon Ho Hwang, Tae Sik Yang, Joon Ho Byun, et al. Design and Analysis of Metamaterial Antenna for Mobile Handset Application[C]. Antennas and Propagation(EuCAP), 2009: 2563-3566.

[6] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. Bandwidth Enhancement of Metamaterial Antennas Based on Composite Right/Left-handed Transmission Line[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010(9): 36-39.

[7] A Lai, T Itoh, C Caloz. Composite Right/Left-handed Transmission Line Metamaterials[J]. IEEE Microw Mag, 2004(1): 34-50.★

作者簡介

于磊：碩士畢業(yè)于西安交通大學電子與信息工程學院，主要研究方向為移動通信天線。

黃斌科：副教授，博士畢業(yè)于西安交通大學，2001年至2002年任香港城市大學研究助理，現任職于西安交通大學電信學院，主要研究方向為電磁場數值計算和無線通信終端天線。

聶成成：西安交通大學電子與信息工程學院在讀碩士，主要研究方向為移動通信終端天線。

endprint

由式（10）可以看出，在同時增大并聯電感LL和減小并聯電容CR并保持并聯諧振頻率不變時，可使零階諧振模的帶寬有效擴寬。

3 基于CRLH TL零階模的天線設計

本文基于CRLH TL單元實現手機天線設計。

如圖3所示，A和B為輻射金屬貼片；F為曲折饋線，印制在PCB板的上側；C和D為曲折短路線，印制在PCB板的下側；E為饋電端口；G為連接上側輻射金屬貼片和下側曲折短路線的金屬過孔。該天線可視作由兩個相反方向上的零階諧振天線組成。由輻射金屬貼片A、金屬過孔和連接地面的曲折短路線C組成的零階諧振天線工作在較低的頻段；由輻射金屬貼片B、金屬過孔和連接地面的曲折短路線D組成的零階諧振天線工作在較高的頻段。饋線F與輻射金屬貼片A和B之間的間隔提供串聯（左手）電容CL，曲折短路線C和D提供并聯（左手）電感LL，輻射金屬貼片A和B工作在右手模式提供串聯電感LR和并聯電容CR。由零階諧振模理論可知，零階模的諧振頻率及帶寬擴展由并聯參數決定，在天線結構允許的情況下，并聯電感LL應盡量大些。對于固定的輻射金屬貼片A和B，通過調節(jié)曲折金屬線C和D的長度來調節(jié)諧振頻率。輻射金屬貼片A和曲折短路線C的高階模式也工作在高頻段，其諧振頻率由饋電點到曲折短路線C連接地面的短路點之間的總長度決定。通過合理設計，可以與輻射金屬貼片B和曲折短路線D組成的零階諧振模融合，從而擴展高頻帶寬。曲折饋線等效于一個帶阻濾波器，可減小由BD組成的零階諧振天線對由AC組成的零階諧振天線零階模的影響。

圖3基于CRLH TL零階模天線的設計

4 結果分析

該天線的尺寸參數和基本結構如圖4所示。天線印制在介質FR4（εr=4.4）表面，介質板的整體尺寸為40×100×1mm3，其中天線所占面積為37×15mm2。饋線的寬度為0.5mm，曲折短路線的寬度為0.4mm，金屬過孔的半徑為0.2mm，天線使用特征阻抗為50?的同軸線饋電。

天線在不同頻點上的電流分布如圖5所示。

圖5（a）是頻率為930MHz的電流分布圖，天線上的電流集中分布在由輻射金屬貼片A和曲折短路線C組成的零階諧振輻射部分。圖5（b）、圖5（c）、圖5（d）分別是頻率為1 900MHz、2 080MHz和2 500MHz的電流分布圖，可見天線的電流分布由兩部分組成：一是由輻射金屬貼片B和曲折短路線D組成的零階諧振輻射部分；二是從饋電點到曲折短路線C的短路點這一路徑，為高階諧振模式。由此可見，在高頻區(qū)域，天線的諧振帶寬是由BD部分的零階諧振模式和AC部分的高階模式融合而實現帶寬擴展的。

基于CRLH TL零階諧振模天線的反射系數如圖6所示。

圖6（a）中分別對只有AC組成的零階諧振天線、BD組成的零階諧振天線和整個天線進行仿真設計。由此可以看出，AC部分的諧振在低頻段，高頻段也有一定的諧振；BD部分的諧振在高頻段，低頻段幾乎無諧振；整個天線在高低頻均有諧振，在S11≤-6dB的情況下，帶寬覆蓋GSM900、PCS、UMTS、Bluetooth和ISM2400五個移動通信頻段。AC組成的零階諧振天線與整個天線相比可以看出，低頻段的零階諧振幾乎無變化，這說明曲折饋線可以有效地減小BD組成的零階諧振天線對AC組成的零階諧振天線零階模的影響。圖6（b）為基于CRLH TL的手機天線的仿真結果與測試結果的反射系數，測試結果與仿真結果基本吻合，滿足移動通信對帶寬的要求。

天線在水平面上（xoz或H面，坐標見圖4）的增益方向圖近似全向，在工作頻帶上均滿足移動通信對手機內置天線的要求。

5 結論

本文基于CRLH TL零階模設計實現了覆蓋五個移動通信頻帶的手機天線。天線的厚度為1mm，所占面積為37×15mm2，與傳統(tǒng)的PIFA天線相比，基于CRLH TL零階諧振模的天線具有低剖面、小型化和易于集成的優(yōu)點。該天線工作帶寬的仿真結果與測試結果基本吻合，滿足移動通信對手機天線的性能要求。

參考文獻：

[1] 龔建強,褚慶昕. 基于CRLH傳輸線結構實現平面微波器件的小型化[J]. 微波學報, 2009,25(1): 60-63.

[2] 杜國宏,唐小宏. 基于D-CRLH傳輸線的帶阻濾波器[J]. 微波學報, 2011,27(1): 64-67.

[3] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multiband Antenna Based on CRLH TL ZOR for Wireless Mobile System[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2009,51(12): 2852-2855.

[4] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multi-band Antenna Based on DNG ZOR for Wireless Mobile System[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009,8(1): 920-923.

[5] Soon Ho Hwang, Tae Sik Yang, Joon Ho Byun, et al. Design and Analysis of Metamaterial Antenna for Mobile Handset Application[C]. Antennas and Propagation(EuCAP), 2009: 2563-3566.

[6] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. Bandwidth Enhancement of Metamaterial Antennas Based on Composite Right/Left-handed Transmission Line[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010(9): 36-39.

[7] A Lai, T Itoh, C Caloz. Composite Right/Left-handed Transmission Line Metamaterials[J]. IEEE Microw Mag, 2004(1): 34-50.★

作者簡介

于磊：碩士畢業(yè)于西安交通大學電子與信息工程學院，主要研究方向為移動通信天線。

黃斌科：副教授，博士畢業(yè)于西安交通大學，2001年至2002年任香港城市大學研究助理，現任職于西安交通大學電信學院，主要研究方向為電磁場數值計算和無線通信終端天線。

聶成成：西安交通大學電子與信息工程學院在讀碩士，主要研究方向為移動通信終端天線。

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由式（10）可以看出，在同時增大并聯電感LL和減小并聯電容CR并保持并聯諧振頻率不變時，可使零階諧振模的帶寬有效擴寬。

3 基于CRLH TL零階模的天線設計

本文基于CRLH TL單元實現手機天線設計。

如圖3所示，A和B為輻射金屬貼片；F為曲折饋線，印制在PCB板的上側；C和D為曲折短路線，印制在PCB板的下側；E為饋電端口；G為連接上側輻射金屬貼片和下側曲折短路線的金屬過孔。該天線可視作由兩個相反方向上的零階諧振天線組成。由輻射金屬貼片A、金屬過孔和連接地面的曲折短路線C組成的零階諧振天線工作在較低的頻段；由輻射金屬貼片B、金屬過孔和連接地面的曲折短路線D組成的零階諧振天線工作在較高的頻段。饋線F與輻射金屬貼片A和B之間的間隔提供串聯（左手）電容CL，曲折短路線C和D提供并聯（左手）電感LL，輻射金屬貼片A和B工作在右手模式提供串聯電感LR和并聯電容CR。由零階諧振模理論可知，零階模的諧振頻率及帶寬擴展由并聯參數決定，在天線結構允許的情況下，并聯電感LL應盡量大些。對于固定的輻射金屬貼片A和B，通過調節(jié)曲折金屬線C和D的長度來調節(jié)諧振頻率。輻射金屬貼片A和曲折短路線C的高階模式也工作在高頻段，其諧振頻率由饋電點到曲折短路線C連接地面的短路點之間的總長度決定。通過合理設計，可以與輻射金屬貼片B和曲折短路線D組成的零階諧振模融合，從而擴展高頻帶寬。曲折饋線等效于一個帶阻濾波器，可減小由BD組成的零階諧振天線對由AC組成的零階諧振天線零階模的影響。

圖3基于CRLH TL零階模天線的設計

4 結果分析

該天線的尺寸參數和基本結構如圖4所示。天線印制在介質FR4（εr=4.4）表面，介質板的整體尺寸為40×100×1mm3，其中天線所占面積為37×15mm2。饋線的寬度為0.5mm，曲折短路線的寬度為0.4mm，金屬過孔的半徑為0.2mm，天線使用特征阻抗為50?的同軸線饋電。

天線在不同頻點上的電流分布如圖5所示。

圖5（a）是頻率為930MHz的電流分布圖，天線上的電流集中分布在由輻射金屬貼片A和曲折短路線C組成的零階諧振輻射部分。圖5（b）、圖5（c）、圖5（d）分別是頻率為1 900MHz、2 080MHz和2 500MHz的電流分布圖，可見天線的電流分布由兩部分組成：一是由輻射金屬貼片B和曲折短路線D組成的零階諧振輻射部分；二是從饋電點到曲折短路線C的短路點這一路徑，為高階諧振模式。由此可見，在高頻區(qū)域，天線的諧振帶寬是由BD部分的零階諧振模式和AC部分的高階模式融合而實現帶寬擴展的。

基于CRLH TL零階諧振模天線的反射系數如圖6所示。

圖6（a）中分別對只有AC組成的零階諧振天線、BD組成的零階諧振天線和整個天線進行仿真設計。由此可以看出，AC部分的諧振在低頻段，高頻段也有一定的諧振；BD部分的諧振在高頻段，低頻段幾乎無諧振；整個天線在高低頻均有諧振，在S11≤-6dB的情況下，帶寬覆蓋GSM900、PCS、UMTS、Bluetooth和ISM2400五個移動通信頻段。AC組成的零階諧振天線與整個天線相比可以看出，低頻段的零階諧振幾乎無變化，這說明曲折饋線可以有效地減小BD組成的零階諧振天線對AC組成的零階諧振天線零階模的影響。圖6（b）為基于CRLH TL的手機天線的仿真結果與測試結果的反射系數，測試結果與仿真結果基本吻合，滿足移動通信對帶寬的要求。

天線在水平面上（xoz或H面，坐標見圖4）的增益方向圖近似全向，在工作頻帶上均滿足移動通信對手機內置天線的要求。

5 結論

本文基于CRLH TL零階模設計實現了覆蓋五個移動通信頻帶的手機天線。天線的厚度為1mm，所占面積為37×15mm2，與傳統(tǒng)的PIFA天線相比，基于CRLH TL零階諧振模的天線具有低剖面、小型化和易于集成的優(yōu)點。該天線工作帶寬的仿真結果與測試結果基本吻合，滿足移動通信對手機天線的性能要求。

參考文獻：

[1] 龔建強,褚慶昕. 基于CRLH傳輸線結構實現平面微波器件的小型化[J]. 微波學報, 2009,25(1): 60-63.

[2] 杜國宏,唐小宏. 基于D-CRLH傳輸線的帶阻濾波器[J]. 微波學報, 2011,27(1): 64-67.

[3] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multiband Antenna Based on CRLH TL ZOR for Wireless Mobile System[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2009,51(12): 2852-2855.

[4] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multi-band Antenna Based on DNG ZOR for Wireless Mobile System[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009,8(1): 920-923.

[5] Soon Ho Hwang, Tae Sik Yang, Joon Ho Byun, et al. Design and Analysis of Metamaterial Antenna for Mobile Handset Application[C]. Antennas and Propagation(EuCAP), 2009: 2563-3566.

[6] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. Bandwidth Enhancement of Metamaterial Antennas Based on Composite Right/Left-handed Transmission Line[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010(9): 36-39.

[7] A Lai, T Itoh, C Caloz. Composite Right/Left-handed Transmission Line Metamaterials[J]. IEEE Microw Mag, 2004(1): 34-50.★

作者簡介

于磊：碩士畢業(yè)于西安交通大學電子與信息工程學院，主要研究方向為移動通信天線。

黃斌科：副教授，博士畢業(yè)于西安交通大學，2001年至2002年任香港城市大學研究助理，現任職于西安交通大學電信學院，主要研究方向為電磁場數值計算和無線通信終端天線。

聶成成：西安交通大學電子與信息工程學院在讀碩士，主要研究方向為移動通信終端天線。

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