兼容4G/WiFi/WiMAX的新型寬帶人工電磁媒質(zhì)天線設(shè)計(jì)*

李學(xué)識(shí)，蔡述庭，余金全，林福民

(1.廣東工業(yè)大學(xué) a.自動(dòng)化學(xué)院;b.物理與光電工程學(xué)院，廣州 510006；2.毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

兼容4G/WiFi/WiMAX的新型寬帶人工電磁媒質(zhì)天線設(shè)計(jì)*

李學(xué)識(shí)**1a,2，蔡述庭1a，余金全1a，林福民1b

(1.廣東工業(yè)大學(xué) a.自動(dòng)化學(xué)院;b.物理與光電工程學(xué)院，廣州 510006；2.毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

設(shè)計(jì)了一款新穎的基于互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)和條形縫隙的貼片天線。通過(guò)在金屬貼片上蝕刻圓環(huán)形互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，并且在金屬接地板上蝕刻條形縫隙完成天線的人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它們和介質(zhì)板共同作用將天線工作頻段明顯擴(kuò)寬到1.7～2.98 GHz和3.99～5.34 GHz。該天線僅使用單層雙面覆銅板即可完成加工，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。同時(shí)，天線的電尺寸僅有0.408λ0×0.408λ0×0.008 6λ0(在天線最低工作頻率1.7 GHz處)，且最大增益為6.04 dBi；可以同時(shí)兼容中國(guó)的第四代(4G)移動(dòng)通信的所有頻段(1.88～2.66 GHz)、WiFi頻段(2.4～2.484 GHz)和微波存取全球互通(WiMAX)頻段(2.5～2.69 GHz)。

寬帶天線；貼片天線；互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)；條形縫隙；人工電磁媒質(zhì)

1 引 言

當(dāng)前第四代(the Fourth Generation,4G)移動(dòng)通信 / 微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX) / WiFi等商業(yè)通信的迅速發(fā)展對(duì)天線多頻段、小型化提出了更高要求[1]?；谌斯る姶琶劫|(zhì)結(jié)構(gòu)的貼片天線具有多頻工作、小型化、可調(diào)節(jié)輻射特性等優(yōu)點(diǎn)而受到研究人員的廣泛關(guān)注，已經(jīng)在實(shí)際通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，比如：可以在1.92～2.17 GHz的寬帶碼分多址(Wideband Code-Division Multiple-Access,WCDMA)頻段工作，在2.5～2.69 GHz的WiMAX頻段工作，在2.4～2.484 GHz的藍(lán)牙(Bluetooth)頻段工作，還可以在2.3～2.39 GHz的無(wú)線寬帶(Wibro)頻段工作[2-3]。但人工電磁媒質(zhì)天線仍然有一些方面值得改進(jìn)，比如結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜以及天線增益有待提高。

為了改善人工電磁媒質(zhì)的性能，近年來(lái)一些新穎的人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)被研究和開(kāi)發(fā)出來(lái)，如互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)(Complementary Split Ring Resonator,CSRR)結(jié)構(gòu)、電抗性阻抗表面(Reactive Impedance Surface,RIS)結(jié)構(gòu)、部分反射表面(Partially Reflective Surface,PRS) 結(jié)構(gòu)、蘑菇狀電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap,EBG) 結(jié)構(gòu)等[4-8]。CSRR結(jié)構(gòu)有助于天線工作在較低頻段并且實(shí)現(xiàn)天線小型化，這是由于它與介質(zhì)基板和金屬接地板一起可以被看成具有左手特性的LC諧振電路，相對(duì)傳統(tǒng)諧振電路可以在較低頻率諧振[4]。為了進(jìn)一步提高人工電磁媒質(zhì)天線的增益并且擴(kuò)展其帶寬，RIS結(jié)構(gòu)被嵌入天線基底層中間[5]。近來(lái)對(duì)人工電磁媒質(zhì)天線的研究中，一種類似RIS的具有條形縫隙形式的人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)被蝕刻在單層雙面介質(zhì)板的金屬接地板上并利用其設(shè)計(jì)了天線[9-10]。這種類型的人工電磁媒質(zhì)天線在擴(kuò)展工作帶寬的同時(shí)能夠保證天線具有良好的輻射增益，但也有需要改進(jìn)的地方，例如：其工作頻段相對(duì)較高(3 GHz以上)，不利于其在諸如4G、WiFi或者WiMAX等商業(yè)頻段的應(yīng)用。

針對(duì)這些不足，可以利用人工電磁媒質(zhì)增加天線諧振頻率的特性，將天線工作頻段擴(kuò)展到覆蓋常用商業(yè)頻段，同時(shí)保持其良好的輻射特性。本文在金屬地面上設(shè)計(jì)了條形縫隙，并且在金屬貼片上蝕刻了圓環(huán)形CSRR結(jié)構(gòu)，因此，具有同時(shí)在中國(guó)移動(dòng)/聯(lián)通/電信4G頻段(1.88～2.66 GHz)、WiFi頻段(2.4～2.484 GHz)，或者WiMAX頻段(2.5～2.69 GHz)等上以較高增益工作的特性。另外，本天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以用單層雙面覆銅板完成低成本加工制造。本文天線運(yùn)用的金屬接地面上的條形縫隙，同時(shí)貼片上蝕刻圓環(huán)形CSRR的結(jié)構(gòu)目前尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，而且該天線能覆蓋常見(jiàn)商業(yè)頻段，故研究具有實(shí)用價(jià)值。

2 天線結(jié)構(gòu)

2.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程

首先考慮到需要的工作頻段，基于傳統(tǒng)的貼片天線理論設(shè)計(jì)了基本的底層天線金屬地板和頂層金屬貼片。貼片天線的輻射縫隙為頂層貼片的寬度為W的兩條邊。W與諧振頻率f0之間具有如下關(guān)系[11]：

(1)

式中：介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)為εr= 3.66(使用的高頻電路板為Rogers RO4350);需要的天線諧振頻率f0為3.64 GHz，以利于后面借助人工電磁媒質(zhì)擴(kuò)展工作頻段到低頻段。由式(1)設(shè)計(jì)出天線頂層貼片的寬度W為27 mm,而貼片長(zhǎng)度L則設(shè)置為36 mm，以便于在其上蝕刻人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)。

之后，根據(jù)條形縫隙具有擴(kuò)展天線帶寬的作用，在天線金屬地板上蝕刻了條形縫隙。接著，運(yùn)用CSRR帶來(lái)低頻諧振的特性，在頂層貼片上設(shè)計(jì)了4行3列CSRR結(jié)構(gòu)。CSRR尺寸與其諧振頻率fCSRR的關(guān)系為[12]

(2)

式中：c為自由空間中的光速;外徑r2=3.5 mm;內(nèi)徑r1=2.3 mm;縫隙寬度w=0.6 mm。由上式可得出CSRR諧振頻率為3.06 GHz。該諧振頻率低于貼片天線原有諧振頻率，因此能夠起到增加天線諧振頻率和擴(kuò)展天線工作頻段的作用。

為了設(shè)計(jì)天線貼片上的CSRR結(jié)構(gòu)，在天線金屬地板蝕刻條形縫隙之后，在頂層貼片分別蝕刻了1列、2列和3列CSRR結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示;然后,仿真了各種情況的天線端口回波損耗特性，如圖1(b)所示。

(a) 天線頂層貼片分別蝕刻1列、2列和3列CSRR結(jié)構(gòu)

(b) 3種情況的回波損耗仿真

圖1 天線頂層貼片分別蝕刻1列、2列和3列CSRR結(jié)構(gòu)的仿真

Fig.1 Simulated return losses of the antennas whose patches are etched with one column,two columns and three columns of CSRRs,respectively

由仿真數(shù)據(jù)，頂層貼片在蝕刻1列、2列和3列CSRR后，天線端口S11值低于-10 dB的工作帶寬合計(jì)分別為2.16 GHz、2.28 GHz和2.96 GHz。由此可見(jiàn)，當(dāng)頂層貼片蝕刻3列CSRR時(shí)，則它們基本完全占據(jù)貼片面積，而天線工作頻段也是最寬的。

2.2 研制的天線結(jié)構(gòu)

由上述設(shè)計(jì)過(guò)程確定天線結(jié)構(gòu)為頂層貼片蝕刻4行3列CSRR結(jié)構(gòu)，并且金屬地板蝕刻條形縫隙。此外，對(duì)饋電微帶線位置和寬度進(jìn)行微調(diào)，以使天線達(dá)到較好的端口匹配特性。

本文設(shè)計(jì)的人工電磁媒質(zhì)天線具有特色和創(chuàng)新性。為了達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特性，僅用單層雙面介質(zhì)板即可實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到寬帶特性，在貼片上面蝕刻CSRR結(jié)構(gòu)，在金屬地面上應(yīng)用條形縫隙結(jié)構(gòu)。具有左手特性的CSRR和條形縫隙結(jié)構(gòu)與貼片和金屬地面結(jié)合在一起產(chǎn)生左手材料在低頻諧振的效果，這樣能夠增加天線工作頻帶寬度，保持較好的天線增益，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。另外，這種基本結(jié)構(gòu)的左手特性已經(jīng)在文獻(xiàn)[10]中論述，此處不再贅述。

天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了擴(kuò)展天線工作頻段，矩形貼片上排列著4行3列鏤空雕刻的CSRR結(jié)構(gòu)。同時(shí)，天線金屬地板上則雕刻了另外一種人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)，即條形縫隙結(jié)構(gòu)。以往關(guān)于人工電磁媒質(zhì)天線的研究表明這種結(jié)構(gòu)能夠有效擴(kuò)展天線工作帶寬[13]。本文設(shè)計(jì)的天線與文獻(xiàn)[9]中的天線有所區(qū)別，例如：貼片上面設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)采用了CSRR這種具有左手特性的人工電磁媒質(zhì)，而文獻(xiàn)[9]中則是一種變形的周期空隙結(jié)構(gòu)；此外，本文設(shè)計(jì)的天線在尺寸上進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，能夠使天線工作頻段覆蓋中國(guó)全部4G頻段、WiFi頻段以及WiMAX頻段等商業(yè)頻段，而文獻(xiàn)[9]中的天線工作頻段在5.3 GHz以上，和這些常用的商業(yè)頻段不兼容。CSRR的單元結(jié)構(gòu)顯示在圖2(a)中。此CSRR結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)互相隔離并且鏤空的同心圓環(huán)，圓環(huán)中的一小部分沒(méi)有被雕刻掉，兩個(gè)圓環(huán)的未被雕刻部分反向朝向。

圖2(b)、(c)是加工好的天線的正面和背面照片。加工該天線使用了相對(duì)介電常數(shù)為εr=3.66的高頻電路板Rogers RO4350，其厚度僅有1.524 mm。天線的總體尺寸僅為0.408λ0×0.408λ0×0.008 6λ0，其中λ0為在自由空間中的天線工作頻率1.7 GHz處的波長(zhǎng)。

圖2 天線結(jié)構(gòu)和加工照片

Fig.2 Antenna structure and fabricated antenna

3 天線性能實(shí)驗(yàn)

對(duì)天線的回波損耗、端口阻抗、軸比、方向圖和輻射增益等性能進(jìn)行了仿真。測(cè)試方面，回波損耗、端口阻抗使用安捷倫E5071矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試，而軸比、方向圖則使用SATIMO微波暗室測(cè)試。

圖3為該天線的回波損耗。從圖中可以看出測(cè)試得到的天線回波損耗低于-10 dB的兩個(gè)頻段分別是1.7～2.98 GHz和3.99～5.34 GHz，由此可算出這兩個(gè)頻段的相對(duì)帶寬分別是55%和28%。該天線的回波損耗也和具有相同尺寸的但無(wú)人工電磁媒質(zhì)的天線(其貼片和金屬地板都是完整未雕刻的)的回波損耗進(jìn)行了對(duì)比。從圖3可以看到，以低于-10 dB為標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)的天線的回波損耗帶寬大大擴(kuò)寬了，這證明了天線中引入的CSRR和條形縫隙結(jié)構(gòu)確實(shí)能夠起到影響天線諧振頻率和擴(kuò)展天線工作頻段的作用。

圖3 天線回波損耗仿真與測(cè)試結(jié)果

Fig.3 Simulated and measured return losses of the antenna

圖4給出了天線端口阻抗測(cè)量的結(jié)果。由圖所見(jiàn)，阻抗虛部跨零的點(diǎn)有若干個(gè)，天線在這些頻率處于諧振狀態(tài)。這也說(shuō)明天線能夠在較寬頻段上達(dá)到諧振狀態(tài)，使天線具有寬帶工作能力。而在這些諧振頻率處天線阻抗實(shí)部也接近50，這使得天線可以在寬頻范圍內(nèi)容易與50輸入端口達(dá)到阻抗匹配。因此，通過(guò)在貼片天線上設(shè)計(jì)CSRR和條形縫隙結(jié)構(gòu)，天線的諧振和阻抗匹配的頻率范圍能夠有效擴(kuò)展。

圖4 天線輸入阻抗測(cè)試結(jié)果

Fig.4 Measured input impedance of the antenna

在天線工作頻段范圍內(nèi)任意選擇了1.8 GHz和4.2 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)測(cè)試天線的輻射方向圖，用以驗(yàn)證天線輻射性能。圖5(a)和圖5(b)分別是測(cè)試的1.8 GHz和4.2 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)的三維輻射方向圖，并且以dBi尺度顯示。由圖5(a)可見(jiàn)，天線在1.8 GHz,的輻射類似于沿x軸擺放的偶極子天線，其在垂直于x軸的方向上有較強(qiáng)的輻射。而由圖5(b)可見(jiàn)，在4.2 GHz,天線在xoy平面有兩個(gè)較強(qiáng)的輻射主瓣。同時(shí)，由圖5可以看到，人工電磁媒質(zhì)的加入使天線輻射方向圖和普通矩形貼片天線的輻射方向圖有所不同。通過(guò)調(diào)整天線擺放位置，可以在所需要的方向上進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射和接收。

(a) 在1.8 GHz的三維方向圖

(b) 在4.2 GHz的三維方向圖

圖5 測(cè)試的天線三維方向圖

Fig.5 Measured three-dimensional patterns of the antenna

而圖6(a)和圖6(b)則是1.8 GHz和4.2 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)上，天線在xoy和xoz面測(cè)試的二維輻射方向圖。由圖6(a)可見(jiàn)，在1.8 GHz天線在xoz平面有兩個(gè)較強(qiáng)的輻射主瓣。而圖6(b)則說(shuō)明，在4.2 GHz天線在xoy平面有兩個(gè)較強(qiáng)輻射主瓣。

(a) 在1.8 GHz的二維方向圖

(b) 在4.2 GHz的二維方向圖

圖6 測(cè)試的天線二維方向圖

Fig.6 Measured two-dimensional patterns of the antenna

在微波暗室對(duì)天線的輻射增益和效率性能進(jìn)行實(shí)測(cè)，從1.5～5.5 GHz每隔0.5 GHz選取一個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看到天線在4.5 GHz有5.7 dBi的最大增益。同樣，從圖中可以看到在2～5.5 GHz頻段范圍內(nèi)天線增益都在1 dBi之上，具有較高的實(shí)用性。但是天線增益在3 GHz以下時(shí)相對(duì)較低,這與天線在3 GHz以下較強(qiáng)的歐姆損耗有關(guān)。測(cè)試的天線效率在4.5 GHz有91%的最大值，并且在2～5.5 GHz范圍內(nèi)的效率都在39%以上。圖7證實(shí)該天線能夠在較寬頻段范圍內(nèi)以較高增益進(jìn)行有效輻射,這樣的寬帶范圍內(nèi)的較高增益對(duì)于僅有單個(gè)貼片單元和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的天線來(lái)說(shuō)是較好的結(jié)果。

圖7 天線增益和效率測(cè)試結(jié)果

Fig.7 Measured gain and efficiency of the antenna

為了直觀了解本文天線的相對(duì)性能，表1比較了該天線和同類的人工電磁媒質(zhì)天線的性能指標(biāo)。由表1可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的天線在尺寸方面較小，而且工作頻段較寬，能夠覆蓋WiFi、WiMAX和我國(guó)4G全頻段，具有較好的性能和應(yīng)用價(jià)值。

表1 本文天線與同類的人工電磁媒質(zhì)天線性能對(duì)比

Tab.1 Performance comparison between the proposed antenna and other metamaterial based antennas

天線尺寸/mm3頻段/GHz應(yīng)用文獻(xiàn)[14]109.00×109.00×45.001.49～3.25WiFi/WiMAX文獻(xiàn)[15]61.00×140.00×1.582.38～2.52/2.94～3.14/3.70～3.78/3.86～3.90WiFi/WiMAX文獻(xiàn)[16]100.00×100.00×1.604.15～5.27WiFi文獻(xiàn)[17]133.00×92.50×8.085.54～6.01WiFi本文72.00×63.00×1.581.70～2.98/3.99～5.34WiFi/WiMAX/4G

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新穎的具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和寬帶工作特性的人工電磁媒質(zhì)天線。天線結(jié)構(gòu)基于簡(jiǎn)單的單層貼片天線原型，并且在最低的1.7 GHz工作頻率處天線的電尺寸僅為0.408λ00.408λ00.008 6λ0。在普通貼片天線的貼片上鏤空了CSRR結(jié)構(gòu)，而在天線地板上則蝕刻出了條形縫隙結(jié)構(gòu)，使其工作在1.7～2.98 GHz頻段以及3.99～5.34 GHz頻段，相比普通貼片天線工作帶寬明顯擴(kuò)寬。天線的相對(duì)工作帶寬在1.7 GHz開(kāi)始的頻帶為55%，而在3.99 GHz開(kāi)始的頻帶為28%,在工作頻段范圍內(nèi)具有最高達(dá)6.04 dBi的良好輻射增益。該天線用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和緊湊的尺寸就能實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作,可應(yīng)用在中國(guó)全部4G頻段、WiFi頻段或者WiMAX頻段等商業(yè)通信領(lǐng)域。

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LI Xueshi was born in Emei,Sichuan Province,in 1981. He received the Ph. D. degree from South China University of Technology in 2010. He is now a lecturer. His research concerns metamaterial antennas,computational electromagnetics and reconfigurable antennas.

Email:lixueshi@gdut.edu.cn

蔡述庭(1979—)，男，湖南益陽(yáng)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樯漕l集成電路、圖像視頻編碼；

CAI Shuting was born in Yiyang,Hunan Province,in 1979. He is now an associate professor with the Ph. D. degree. His research concerns radio frequency ICs and coding of graphics and videos.

余金全(1994—)，男，廣東清遠(yuǎn)人，主要研究方向?yàn)槿斯る姶琶劫|(zhì)天線、導(dǎo)電墨水打印天線 ;

YU Jinquan was born in Qingyuan,Guangdong Province,in 1994. His research concerns metamaterial antennas and printed antennas using conducting ink.

林福民(1964—)，男，廣東汕頭人，博士，教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航天線、大功率微波器件。

LIN Fumin was born in Shantou,Guangdong Province,in 1964. He is now a professor with the Ph.D. degree. His research concerns satellite navigation antennas and high power microwave devices.

Design of a Novel Broadband Metamaterial Antenna Compatible with 4G/WiFi/WiMAX

LI Xueshi1a,2，CAI Shuting1a，YU Jinquan1a，LIN Fumin1b

(a.School of Automation;b.School of Physics and Optoelectronic Engineering,1.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.State Key Laboratory of Millimeter Waves,Nanjing 210096,China)

A patch antenna is designed based on the structures of complementary split-ring-resonators(CSRR) and strip-line gaps. The metamaterial structure is constructed via etching CSRR structures with circular shapes and employing strip-line gaps on the ground. They cooperate with the dielectric slab to significantly extend the antenna’s operating frequency bands to 1.7～2.98 GHz and 3.99～5.34 GHz. The antenna can be fabricated utilizing only one single-layer substrate with both sides covered with copper,whose structure is pretty simple. The antenna has an electrical dimension of only 0.408λ0×0.408λ0×0.008 6λ0(at the lowest operating frequency of 1.7 GHz of the antenna) with a peak gain of 6.04 dBi. It is compatible with multiple commercial bands at the same time including all the bands of the fourth generation(4G) of Chinese mobile communication(1.88～2.66 GHz),WiFi(2.4～2.484 GHz),and the worldwide interoperability for microwave access(WiMAX)(2.5～2.69 GHz).

broadband antenna；patch antenna;complementary split-ring-resonators；strip-line gaps；metamaterial

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.12.015

李學(xué)識(shí)，蔡述庭，余金全，等.兼容4G/WiFi/WiMAX的新型寬帶人工電磁媒質(zhì)天線設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2016,56(12):1387-1392.[LI Xueshi，CAI Shuting，YU Jinquan,et al.Design of a novel broadband metamaterial antenna compatible with 4G/WiFi/WiMAX[J].Telecommunication Engineering,2016,56(12):1387-1392.]

2016-02-24；

2016-06-20 Received date:2016-02-24；Revised date：2016-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61505035);教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目;廣東省高等教育教學(xué)改革資助項(xiàng)目

Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(No.61505035)；The Scientific Research Foundation forthe Returned Overseas Chinese Scholars,Ministry of Education；The Teaching Reformation Project of Higher Education of Guangdong Providence

TN823

A

1001-893X(2016)12-1387-06

李學(xué)識(shí)(1981—)，男，四川峨眉人，2010年于華南理工大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向?yàn)槿斯る姶琶劫|(zhì)天線、計(jì)算電磁學(xué)、可重構(gòu)天線；

**通信作者：lixueshi@gdut.edu.cn Corresponding author：lixueshi@gdut.edu.cn