基于負μ傳輸線的電偶極子和環(huán)天線設(shè)計

王軼玨 賈興寧 樸大志

摘要 負μ傳輸線是一種通過串聯(lián)電容加載來獲得等效負磁導(dǎo)率的人工電磁材料，利用其零傳播常數(shù)的性質(zhì)，可以設(shè)計具有無限大波長且諧振頻率與尺寸無關(guān)的諧振器，從而實現(xiàn)天線的小型化和寬帶化.本文以基于分段線結(jié)構(gòu)的負μ傳輸線為例，分別設(shè)計了具有寬帶特性的電偶極子和環(huán)天線.測試結(jié)果表明長度為107 mm （1.03λ0@ 2.9 GHz）的電偶極子可獲得的阻抗帶寬約為1.4 GHz （2.2～3.6 GHz，48%），并且該天線在工作帶寬內(nèi)具有穩(wěn)定的E面方向圖.直徑為52 mm（0.5λ0@2.9 GHz）的環(huán)天線可獲得的阻抗帶寬約為1 GHz （2.4～3.4 GHz，34%），并且環(huán)上具有均勻的電流分布，從而具有磁偶極子的輻射特性.測試和仿真結(jié)果吻合較好.

關(guān)鍵詞負μ傳輸線;電偶極子;環(huán)天線;寬頻帶

中圖分類號TN822;TN823

文獻標志碼A

0?引言

寬帶、密集大規(guī)模MIMO（多輸入輸出）技術(shù)的發(fā)展對無線通信系統(tǒng)中天線的小型化和寬帶化提出了更高的要求，因此在保持天線良好的輻射特性的同時有效地降低尺寸、提高帶寬成為天線設(shè)計中的重要問題.通過在傳統(tǒng)的傳輸線中加載串聯(lián)電容和并聯(lián)電感可以獲得具有左手性質(zhì)的復(fù)合左右手傳輸線 （CRLH-TL），利用CRLH-TL可獲得傳播常數(shù)為零而群速度不為零的性質(zhì)，可以設(shè)計具有無限大波長且諧振頻率與尺寸無關(guān)的諧振器，從而實現(xiàn)天線的小型化[1-3].此外，利用其零相移和均勻電流分布的性質(zhì)還可以控制天線的輻射特性并增加帶寬.

負μ（Mu-negative，MNG）傳輸線是一種具有等效負磁導(dǎo)率的人工電磁材料，通過加載串聯(lián)電容來實現(xiàn)零傳播常數(shù)特性.由于去掉了CRLH-TL中的并聯(lián)電感，因此有利于在高頻應(yīng)用中的實現(xiàn).負μ傳輸線可以通過在傳輸線上周期性地加載電容來減少電流的相位滯后，使傳輸線上的電流相位和方向保持不變，并且獲得近似均勻的分布，此性質(zhì)在近場[4-7]和遠場[8]通信的環(huán)天線和偶極子天線設(shè)計中都得到了廣泛的應(yīng)用.通過在環(huán)上非周期地加載MNG單元結(jié)構(gòu)，還可以進一步對其電流分布和輻射的方向性進行控制[9].此外，基于負μ傳輸線的天線還具有較好的效率、增益和帶寬等特性，并且可以很方便地實現(xiàn)雙頻帶設(shè)計[10-11].基于負μ傳輸線的電偶極子天線與傳統(tǒng)相同尺寸的電偶極子天線相比，可以獲得更大的帶寬，并且具有穩(wěn)定的E面方向圖[12]，但在這方面的設(shè)計尚不多見.

為了進一步研究負μ傳輸線在電偶極子和環(huán)天線設(shè)計中的應(yīng)用潛力，本文以基于分段線的負μ傳輸線為例，分別設(shè)計了一種電偶極子天線和環(huán)天線，對其帶寬和輻射特性進行了研究.仿真和實驗結(jié)果表明，基于分段線結(jié)構(gòu)的負μ傳輸線對實現(xiàn)電流均勻分布和減少相位滯后有很好的效果.基于分段線結(jié)構(gòu)的長度為107 mm（1.03λ0@2.9 GHz）的電偶極子可以獲得的阻抗帶寬約為1.4 GHz（2.2～3.6 GHz，48%），并且該天線在工作帶寬內(nèi)具有穩(wěn)定的E面方向圖.基于分段線結(jié)構(gòu)直徑為52 mm（0.5λ0@2.9 GHz）的環(huán)天線可獲得的阻抗帶寬約為1 GHz （2.4～3.4 GHz，34%），并且由于其表面電流接近均勻分布，輻射特性可以等效為磁偶極子.測試和仿真結(jié)果吻合較好，仿真和設(shè)計基于HFSS軟件.

1?基于分段線結(jié)構(gòu)的電偶極子設(shè)計

基于分段線的電偶極子結(jié)構(gòu)如圖1所示.其基本單元由一段寬為w2的傳輸線外加一個內(nèi)插耦合的電容負載結(jié)構(gòu)組成，整個天線由6個基本單元和一段共面的平行傳輸線作為阻抗匹配線構(gòu)成.介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為4.4，厚度為0.8 mm的FR4.lg和wg分別表示介質(zhì)基板的長和寬，lp和wp為平行傳輸線的長和寬，ga為偶極子兩支節(jié)之間的間隔，其整個結(jié)構(gòu)沿z軸放置，E面為yz面，H面為xy面[13].

優(yōu)化后的電偶極子的詳細參數(shù)如表1所示.

此天線的長度為107 mm，如果天線工作在2.2 GHz，其整個物理長度相當于0.78個波長，若工作在3.5 GHz，則相當于1.25個波長，一般電偶極子在其長度超過半個波長時，會出現(xiàn)除兩端的電流零點之外的電流零點.在圖2中對所設(shè)計的基于分段線的電偶極子和相同尺寸的傳統(tǒng)電偶極子的電流分布進行了比較（頻率2.4 GHz）.從圖2a中可見，基于分段線的電偶極子的表面電流是同向的，且只有在兩端的電流值為0.從圖2b中可見，相同長度的傳統(tǒng)電偶極子的電流方向會改變，并且會出現(xiàn)更多零點.

在圖3中對以上兩種電偶極子E面方向圖進行了比較，給出了工作頻率從2.0～3.5 GHz變化時的結(jié)果.從圖3中可見，對于不同的工作頻率，基于分段線結(jié)構(gòu)的電偶極子的E面方向圖近似保持不變，而傳統(tǒng)的偶極子天線的E面方向圖在不同頻率時變化很大.這個結(jié)果與天線上的電流分布相對應(yīng).

2?基于分段線結(jié)構(gòu)的環(huán)天線設(shè)計

基于分段線的環(huán)天線結(jié)構(gòu)如圖4所示，其直徑為52 mm，若工作頻率為2.4 GHz，該天線的周長約為1.1個波長.其基本結(jié)構(gòu)是在一段圓弧線上進行周期分割，其中去掉的圓弧弧度為3°，整個單元的弧度為45°，意味著整個圓周由8個基本單元組成.外環(huán)的單元與內(nèi)環(huán)有著一樣的弧度，和內(nèi)環(huán)相比，外環(huán)整個結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)22.5°，其中一段平行傳輸線是天線的阻抗匹配電路，同時也是一種平衡與不平衡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，外接激勵.

在圖5中對所設(shè)計的基于分段線的環(huán)天線和相同尺寸的金屬環(huán)天線的電流分布進行了比較（頻率2.4 GHz）.由圖5a可以看出，基于分段線的環(huán)天線上整個電流都是逆時針同向的，且具有接近均勻的分布，說明該結(jié)構(gòu)可以減少電流相位滯后，保證了電流在電大尺寸上同向流動，不會出現(xiàn)電流零點.由天線理論可知，由于表面電流均勻分布，其輻射特性可以等效為磁偶極子天線.但是，圖5b中的全金屬環(huán)天線上電流方向會發(fā)生改變，并且強度變化范圍較大，因此輻射特性與磁偶極子差距較大.

在圖6中對以上兩種環(huán)天線的E面方向圖進行了比較，給出了工作頻率從2.5～3.5 GHz變化時的結(jié)果.由圖6可知，在2.5 GHz時，全金屬環(huán)天線的E面方向圖會出現(xiàn)一定的方向性，而基于分段線結(jié)構(gòu)的環(huán)天線的E面方向圖更接近圓形，從而具有更好的全向輻射特性.在其他頻率，由于電流分布的變化，分段線環(huán)天線的方向圖會有所改變.

3?測試結(jié)果

3.1?基于分段線結(jié)構(gòu)的電偶極子

設(shè)計的電偶極子加工實物如圖7所示.饋電端接SMA接頭，測得的S參數(shù)如圖8所示.設(shè)計的阻抗匹配帶寬（|S11|<-10 dB）為1.34 GHz （2.16～3.5 GHz），其相對帶寬可以達到47%.實際測量的阻抗匹配帶寬為1.4 GHz （2.22～3.62 GHz），相對帶寬為48%，仿真和測量結(jié)果基本吻合.

天線的E面和H面方向由圖9給出，從圖9中可以看到主極化分量的測試和仿真結(jié)果很接近，其在E面上是倒8字圖案，而在H面上接近一個圓，表明它在水平方向上也是水平全向輻射.交叉極化的測量值和仿真值有較大的誤差，主要是測試時被測試的天線極化方向和發(fā)射端的標準增益的喇叭天線的極化并非完全正交，以及測試臺的電纜過長等原因造成的.

3.2?基于分段線結(jié)構(gòu)的環(huán)天線

基于分段線結(jié)構(gòu)的環(huán)天線加工實物如圖10所示，測得的S參數(shù)如圖11所示，并與仿真結(jié)果進行了對比.天線阻抗匹配帶寬（|S11|<-10 dB）的仿真結(jié)果為2.3～3.1 GHz，相對帶寬可以達到30%，測試結(jié)果為2.4～3.4 GHz，相對帶寬可以達到34%.測試和仿真曲線有少許偏差，是由于加工以及測量誤差引起的，在可接受范圍內(nèi).

仿真和測試的E面和H面方向如圖12所示.E面的主極化分量近似一個圓，表明其在水平面是全向輻射的，其交叉極化均小于-20 dB.H面的方向圖接近倒8字，在主瓣方向，其-3 dB波束寬度的交叉極化小于-10 dB，測試的方向圖與理論仿真值較為接近.

4?結(jié)束語

利用零傳播常數(shù)特性，本文以基于分段線的負μ傳輸線為例，分別設(shè)計了一種電偶極子天線和環(huán)天線.仿真和測試結(jié)果表明，周期分布的分段線結(jié)構(gòu)可以減少電流相位滯后，有利于實現(xiàn)寬帶的電偶極子和環(huán)天線設(shè)計.此外，所設(shè)計的電偶極子在工作帶寬內(nèi)具有穩(wěn)定的E面方向圖，環(huán)天線具有接近磁偶極子的全向輻射特性.

參考文獻References

[1]?Lee C J，Leong K M K H，Itoh T.Composite right/left-handed transmission line based compact resonant antennas for RF module integration[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54（8）：2283-2291

[2]?Lee J G，Lee J H.Zeroth order resonance loop antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2007，55（3）：994-997

[3]?Jang T，Choi J，Lim S.Compact coplanar waveguide （CPW）-fed zeroth-order resonant antennas with extended bandwidth and high efficiency on vialess single layer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59（2）：363-372

[4]?Qing X，Goh C K，Chen Z N.Segmented loop antenna for UHF near-field RFID applications[J].Electronics Letters，2009，45（17）：872-873

[5]?Shi J，Qing X M，Chen Z N.Electrically large zero-phase-shift line grid-array UHF near-field RFID reader antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（4）：2201-2208

[6]?Chen Z N，Qing X M，Shi J，et al.Review of zero-phase-shift-line loop antennas for UHF near-field RFID readers[J].IEEE Journal of Radio Frequency Identification，2017，1（4）：245-252

[7]?黃承，王橙，王貴，等.基于分段線電大尺寸偶極子的特高頻近場射頻識別閱讀器天線[C]∥全國微波毫米波會議，2017

HUANG Cheng，WANG Cheng，WANG Gui，et al.UHF near field RFID reader antenna based on electrically large segmented dipole[C]∥National Microwave Millimeter Wave Conference，2007

[8]?Wei K P，Zhang Z J，F(xiàn)eng Z H.Design of a wide band horizontally polarized omnidirectional printed loop antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11：49-52

[9]?Antoniades M A，Rezaeieh S A，Abbosh A M.Bandwidth and directivity enhancement of metamaterial-loaded loop antennas for microwave imaging applications[C]∥International Workshop on Antenna Technology：Small Antennas.IEEE，2017

[10]?Park J H，Ryu Y H，Lee J H.Mu-zero resonance antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（6）：1865-1875

[11]?Simorangkir R B V B，Lee Y.A planar dual-band periodic leaky-wave antenna based on a mu-negative （MNG） transmission line[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（5）：2370-2374

[12]?Wei K P，Zhang Z J，F(xiàn)eng Z H，et al.A wide band MNG-TL dipole antenna with stable radiation patterns[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61（5）：2418-2424

[13]?Jia X，Piao D.A wide band segmented line dipole antenna with stable radiation patterns[C]∥International Symposium on Antennas.IEEE，2017