基于左手材料的微帶天線小型化設(shè)計

孫 燁，趙文美，劉 碩，程永霞

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590)

基于左手材料的微帶天線小型化設(shè)計

孫 燁，趙文美，劉 碩，程永霞

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590)

針對移動通信對天線小型化的需求，提出了一種基于左手材料實現(xiàn)微帶天線小型化的方法。在諧振頻率為5.8 GHz的微帶天線的接地板上蝕刻圓形單開口諧振環(huán)(Circular Split Single-Ring Resonator，CSSRR)結(jié)構(gòu)的左手材料，利用左手材料的后向波特性進(jìn)行相位補(bǔ)償，打破傳統(tǒng)微帶天線半波長電尺寸的束縛，從而達(dá)到天線小型化的目的。采用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真，分析了CSSRR結(jié)構(gòu)的電磁特性和小型化天線的性能。仿真結(jié)果表明，小型化天線與傳統(tǒng)微帶天線相比輻射貼片的尺寸減小37.52%，帶寬略有增加，增益等參數(shù)性能基本保持不變。而且該小型化微帶天線結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。

左手材料；微帶天線；小型化；圓形單開口諧振環(huán)；回波損耗

0 引言

微帶天線因其制作簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點[1]在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對器件小型化的要求越來越嚴(yán)格。目前，常見的微帶天線小型化技術(shù)有開縫開槽[2]、加載短路[3]和采用高介電常數(shù)介質(zhì)板[4]等。但這些技術(shù)存在缺陷，即使實現(xiàn)了微帶天線的小型化，也會導(dǎo)致微帶天線的帶寬、輻射效率等[5]性能變差。

左手材料(Left Handed Metamaterials，LHM)是一種同時具有負(fù)介電常數(shù)與負(fù)磁導(dǎo)率的新型人工電磁結(jié)構(gòu)材料[6]。大量研究表明將LHM用于濾波器[7]、天線[8]等微波器件，利用其負(fù)折射效應(yīng)、后向波特性等奇特的電磁特性，可以有效地減小器件的尺寸以及改善某些性能[9]。Engheta等[10]提出了應(yīng)用左右手復(fù)合材料實現(xiàn)小于半波長的小型化諧振腔，開辟了LHM新的研究領(lǐng)域。Liu等[11]利用左右手復(fù)合傳輸線，使線路間的耦合強(qiáng)度增大，從而達(dá)到耦合器的小型化的目的。Antoniades等[12]利用LHM后向波特性設(shè)計的超寬帶傳輸線巴倫，相對帶寬達(dá)到了77%且尺寸僅為原來的一半。文獻(xiàn)[13]提出微帶天線諧振頻率隨著接地板上引入I型SRR數(shù)量的增加而降低，當(dāng)引入15個I型SRR時，天線諧振頻率降低了0.519 GHz。Limaye等[14]提出在微帶天線的反面蝕刻4個CSRR，天線諧振頻率下降了1.4 GHz，天線尺寸減小49%。

本文設(shè)計了一款傳統(tǒng)的5.8 GHz微帶天線。在天線的接地板上水平蝕刻周期性的CSSRR結(jié)構(gòu)的LHM，實現(xiàn)天線小型化。仿真結(jié)果證明，設(shè)計的新型天線尺寸分別只有傳統(tǒng)微帶天線的62.48%，達(dá)到了天線的小型化目的，結(jié)構(gòu)簡單而且對天線的輻射性能影響較小。

1 左手材料的相位補(bǔ)償效應(yīng)

2002年，Engheta等[10]提出的基于左右手復(fù)合介質(zhì)的一維小型化諧振腔，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，左側(cè)為右手材料(RHM)，折射率為n1，厚度為d1；右側(cè)為LHM，折射率為n2，厚度為d2。

圖1 一維小型化諧振腔結(jié)構(gòu)

假設(shè)RHM的特征阻抗與自由空間的相同，當(dāng)電磁波穿過該介質(zhì)表面時不會發(fā)生反射，穿透該介質(zhì)時，波前相位和入射點的相位差為：

Δθ1=n1k0d1，

(1)

式中，k0為傳播常數(shù)。

當(dāng)電磁波穿過RHM進(jìn)入LHM時，RHM的波矢量k1與坡印廷矢量S1平行同向；LHM的S2與k2平行反向(LHM的后向波特性)。因此，當(dāng)電磁波穿透LHM時，產(chǎn)生的相位差為：

Δθ2=-n2k0d2。

(2)

電磁波穿過該一維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總相位差為：

Δθ=Δθ1+Δθ2=n1k0d1-n2k0d2。

(3)

當(dāng)RHM和LHM的厚度滿足d1/d2=n2/n1時，左右手復(fù)合材料構(gòu)成的平板總相位差為0。因此，LHM起到了相位補(bǔ)償?shù)淖饔谩２⑶铱梢酝ㄟ^調(diào)整LHM的厚度，以減小諧振頻率[15]。

本文在微帶天線接地板上水平引入LHM，可以利用LHM的后向波特性對天線的縱向波進(jìn)行相位補(bǔ)償，打破傳統(tǒng)微帶天線半波長電尺寸的束縛，從而達(dá)到天線小型化的目的。

2 圓形單開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)

本文提出了一種色散穩(wěn)定且電尺寸小的CSSRR結(jié)構(gòu)的LHM單元，如圖2所示。經(jīng)過Ansoft公司的HFSS13.0仿真優(yōu)化，該結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)設(shè)計為：外環(huán)半徑R=2.4 mm，環(huán)寬度w=0.2 mm，開口寬度k=0.2 mm。

圖2 CSSRR單元結(jié)構(gòu)

采用矩形波導(dǎo)法[16]對CSSRR的傳輸特性進(jìn)行仿真，結(jié)構(gòu)如圖3所示。將周期排列的CSSRR豎直放置在波導(dǎo)中，電磁波沿y軸正向入射，設(shè)置開放邊界；波導(dǎo)上下面設(shè)置PEC電邊界；前后面設(shè)置PMC磁邊界。

圖3 CSSRR左手材料仿真模型結(jié)構(gòu)

通過電磁仿真分析，得到電磁波在波導(dǎo)中傳播的S參數(shù)。采用Smith參數(shù)提取法[17]借助Matlab軟件編程反算出CSSRR的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率隨頻率變化曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 左手材料的電磁特性參數(shù)

由圖4可以看出，在5.6～7.3 GHz頻段內(nèi)，等效磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的實部同為負(fù)值，使得在該介質(zhì)中傳播電磁波的電場E，磁場H和波矢量k滿足左手系，坡印廷矢量S與波矢量k異向，從而顯示出CSSRR結(jié)構(gòu)具有左手特性和后向波特性。

3 小型化天線設(shè)計

首先，根據(jù)天線理論設(shè)計一款傳統(tǒng)的中心工作頻率f=5.8 GHz的微帶天線[18-19]作為對比。選取厚度h=1.6 mm，相對介電常數(shù)εr=4.4的FR4作為介質(zhì)板，介質(zhì)板的尺寸為30 mm×29 mm，輻射貼片的尺寸為L0×W0=11.34 mm× 15.7 mm。天線采用λ/4阻抗轉(zhuǎn)換器與50 Ω微帶線相連進(jìn)行側(cè)饋，微帶線長l1=7 mm、寬w1=0.78 mm，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 微帶天線結(jié)構(gòu)

在微帶天線的接地板上水平蝕刻周期排列的CSSRR結(jié)構(gòu)，如圖6所示。經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，隨著蝕刻CSSRR數(shù)量的增加，微帶天線的諧振頻率明顯降低。天線諧振頻率隨蝕刻不同數(shù)量CSSRR結(jié)構(gòu)的變化情況如表1所示。

圖6 接地板蝕刻CSSRR的微帶天線

SSRR數(shù)量頻率/GHzS11/dB無5．8-40．2525．56-31．7445．31-45．3265．16-29．01

由表1可知，當(dāng)蝕刻6個CSSRR結(jié)構(gòu)時，微帶天線的諧振頻率從5.8 GHz降至5.16 GHz，下降了0.64 GHz。在此基礎(chǔ)上，調(diào)整輻射貼片的大小，使天線重新工作在5.8 GHz。通過仿真優(yōu)化，天線的貼片尺寸由原來的15.7 mm×11.34 mm降至12 mm×9.27 mm，天線的尺寸相應(yīng)縮小了37.52%，實現(xiàn)了微帶天線的小型化。

傳統(tǒng)天線和小型化天線回波損耗(S11)參數(shù)仿真結(jié)果對比如圖7所示。結(jié)果表明，傳統(tǒng)天線相對帶寬為14.67%，反射系數(shù)最小值為-40.25 dB；小型化天線相對帶寬為17.34%，反射系數(shù)最小值為-45.78 dB。小型化前后帶寬略有增加，回波損耗稍有下降，天線的性能有所優(yōu)化。微帶天線小型化前后輻射方向圖的仿真結(jié)果對比如圖8所示。

圖7 微帶天線的S11仿真結(jié)果

(a) E面方向圖

(b) H面方向圖 圖8 微帶天線輻射方向圖

由圖8中可知，傳統(tǒng)天線的峰值增益為4.84 dBi，小型化天線的峰值增益為4.17 dBi，增益有稍許降低；另外，小型化天線的后向輻射較傳統(tǒng)天線略有增加，主要由輻射功率從接地板上縫隙漏射造成?？傮w來說，小型化天線的方向圖還是比較理想的，這些變化都在天線的正常工作范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款新型基于LHM的微帶天線，通過在天線接地板上蝕刻周期性的CSSRR結(jié)構(gòu)，利用LHM的相位補(bǔ)償特性，達(dá)到減小尺寸的目的。利用電磁仿真分別分析了CSSRR的特性和天線的性能。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的天線與傳統(tǒng)微帶天線的尺寸相比減小了37.52%，而且相對帶寬有了一定的提高，天線的輻射性能基本不變?？梢?，LHM在實現(xiàn)天線小型化上具有良好的應(yīng)用前景。

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MiniaturizationDesignofMicrostripAntennasBasedonLeft-handedMaterial

SUN Ye,ZHAO Wenmei,LIU Shuo,CHENG Yongxia

(CollegeofElectronic,CommunicationandPhysics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

A method of miniaturization of microstrip antennas based on left-hand material is proposed to meet the demand of miniature antennas in mobile communications.At the resonant frequency of 5.8 GHz,the Circular Single-Split Ring Resonator (CSSRR) is loaded on the ground to break the shackles of the traditional microstrip antenna due to half-wave electrical-dimension.Miniaturization of the microstrip antenna is achieved by the phase compensation using backward wave characteristics of left-handed material.By using HFSS software,the electromagnetic characteristics of CSSRR structure and the performance of miniaturized antennas are analyzed.The results show that compared with the conventional microstrip antenna,the size of the radiation patch of the miniaturized antenna is reduced by 37.52%,the bandwidth is increased slightly,and the parameters such as gain are almost unchanged.Moreover,the miniaturized microstrip antenna has the advantages of simple structure and easy implementation.

left-handed material；microstrip antenna；miniaturization；CSSRR；return loss

2017-09-11

山東省自然基金資助項目(ZR2013FM018)；青島科技計劃項目(13-1-4-132-jch)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.12

孫燁,趙文美,劉碩,等.基于左手材料的微帶天線小型化設(shè)計[J].無線電工程,2018,48(1):55-58.[SUN Ye,ZHAO Wenmei,LIU Shuo,et al.Miniaturization Design of Microstrip Antennas Based on Left-handed Material[J].Radio Engineering,2018,48(1):55-58.]

TN820

A

1003-3106(2018)01-0055-04

孫燁男，(1992—)，就讀于山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，碩士研究生。主要研究方向：微波技術(shù)及微帶天線技術(shù)等。

趙文美女，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：微波技術(shù)及微帶天線技術(shù)。

劉碩女，(1992—)，碩士研究生。主要研究方向：微波技術(shù)及微帶天線技術(shù)。

程永霞女，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：微波技術(shù)及微帶天線技術(shù)。