摘 要:基于裂縫諧振環(huán)的降頻技術(shù)，利用色散性穩(wěn)定、頻帶寬、電尺寸小的異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種加載異向介質(zhì)的新型平面波導(dǎo)饋天線(CPW-fed antenna)，實(shí)現(xiàn)了天線的寬帶小型化。修正的PIFA傳輸線模型中，利用異向介質(zhì)的諧振電路取代了傳統(tǒng)輻射貼片不連續(xù)性而引起的電容效應(yīng)。仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該天線-10 dB相對(duì)帶寬超過了80%，物理尺寸也縮減了近一倍，其諧振頻段3.5~8.3 GHz內(nèi)得到全向的輻射方向圖。關(guān)鍵詞:異向介質(zhì); 共面波導(dǎo)饋天線; 超寬帶; 左手介質(zhì)

中圖分類號(hào):TN82-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)17-0100-03

Ultra Wideband Metamaterial CPW-fed Antenna

SHI Shao-hong， LEI Zhen-ya， XIE Yong-jun， SHENG Qiong-nian， ZHANG Zhi-hua

(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology， Xidian University， Xi’an 710071， China)

Abstract:Based on the technique of reducing working frequency of split ring resonators (SRR)， and a left-handed medium structure with smooth dispersion， broadband property and small dimensions， a novel CPW-fed antenna loaded with a metamaterial is designed for the broadband and miniaturization. In the modified CPW-fed antenna transmission line model， the conventional capacitance which causes the capacitance effect by its discontinuity is replaced by the resonance circuit of the metamaterial. Both the simulated and measured results demonstrate that such metamaterial CPW-fed antenna exhibits a -10 dB return loss of more than 80% bandwidth， and also the physical dimensions have been reduced by nearly 50%. Nearly omnidirectional radiation pattern is achieved in the resonance oscillation frequency range of 3.5～8.3 GHz.Keywords: metamaterial; CPW-fed antenna; ultra wideband; left-handed medium

0 引 言

左手介質(zhì)(Left-handed Medium)是20世紀(jì)90年代末期，繼Pendry等提出采用周期性排列的導(dǎo)線和開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)SRR(Split Ring Resonator)可以在微波頻段內(nèi)產(chǎn)生負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率[1]以后，一種新型周期結(jié)構(gòu)的人工電磁介質(zhì)。它可使在該介質(zhì)中傳播的電磁波的電場(chǎng)E，磁場(chǎng)H以及波矢量k三者構(gòu)成左手關(guān)系，故而得名。Veselago沉寂了近三十年的異向介質(zhì)先驅(qū)理論再度成為科學(xué)界的研究熱點(diǎn)[2]。2001年，Smith等首次構(gòu)造出這種自然界不存在的媒質(zhì)以來[3]，由于它具有一些反常的電磁特性(包括左手特性、負(fù)折射特性和后向波特性等)而再度成為科學(xué)界的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外成果表明，上述電磁特性具有廣泛的研究前景。

近年來，異向介質(zhì)的應(yīng)用早已滲透到了各類微波器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)中。具體到天線方面，Wu等實(shí)現(xiàn)了基于異向介質(zhì)后向波的小型化天線[4] ，Yang等則提出了具有主瓣寬度窄、仰角低特點(diǎn)的異向介質(zhì)微帶天線[5]。但是，設(shè)計(jì)者們都希望天線的帶寬能夠覆蓋多個(gè)工作頻段以滿足越來越多的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，對(duì)于移動(dòng)終端所使用的天線，如平面倒F天線(PIFA)，同時(shí)兼顧超寬帶并滿足小型化又非常困難[6-8]。另一方面，異向介質(zhì)固有的強(qiáng)色散和有耗特性也似乎阻礙了異向介質(zhì)加載天線帶寬性能的提高。Hao等研究了異向介質(zhì)電小天線并指出加載材料的損耗將使天線性能惡化[9]。Tretyakov數(shù)值仿真了部分填充色散異向介質(zhì)的微帶天線[10]，發(fā)現(xiàn)天線帶寬將小于單純空氣填充的天線。Yang等則分析和設(shè)計(jì)了含有異向介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線[11]，雖然突破了傳統(tǒng)微帶天線的窄帶局限，但前提假設(shè)為異向介質(zhì)是各向同性的均勻介質(zhì)。

基于以上考慮，本文將異向介質(zhì)地板引入共面波導(dǎo)饋天線的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了具有超寬帶特性的異向介質(zhì)天線?？梢钥闯?，異向介質(zhì)諧振電路替代傳統(tǒng)輻射貼片的開路電容將有可能提高該天線的輻射特性。數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，這種天線-10 dB相對(duì)帶寬達(dá)到了80%以上，諧振頻率包含無線局域網(wǎng)和城域網(wǎng)IEEE 801.11a標(biāo)準(zhǔn)及IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)的各載波頻段。在諧振頻段內(nèi)具有全向的輻射方向圖。

1 天線設(shè)計(jì)與原理

圖1給出了加載異向介質(zhì)地板的共勉波導(dǎo)饋天線模型。可以看出，周期性方形金屬貼片結(jié)構(gòu)替代了天線傳統(tǒng)的金屬地板。其中天線各參量的物理尺寸見表1，基底的材料為Arlon DiClad 880，相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2，厚度t=2 mm。

圖1 加載異向介質(zhì)共面波導(dǎo)饋天線模型

表1 天線各參量物理尺寸

參量名稱abglqstw

尺寸 /mm6.53.10.350.715.4220.1

由于天線貼片終端和地板之間形成了輻射縫隙，邊緣場(chǎng)兼顧著儲(chǔ)能和輻射的作用。當(dāng)異向介質(zhì)地板引入后，由貼片不連續(xù)性所造成的電容效應(yīng)將被異向介質(zhì)的諧振電路取代。另一方面，與傳統(tǒng)天線相比，邊緣場(chǎng)輻射所導(dǎo)致的能量流失仍然可以用一個(gè)并聯(lián)導(dǎo)納來表示。如圖2所示，異向介質(zhì)共面波導(dǎo)饋天線的輸入導(dǎo)納可以表示為:

Yin=Y0Ys+jY0tan(βl′)Y0+jYstan(βl′)(1)

式中:Ys為輻射縫隙的導(dǎo)納且具有以下形式:

Ys=G+M(2)

圖2 加載異向介質(zhì)CPW的傳輸線模型

M表示了異向介質(zhì)單元諧振電路的等效導(dǎo)納。已知當(dāng)異向介質(zhì)取得雙正參數(shù)時(shí)，分布參數(shù)將只由LR和CR表示。而當(dāng)異向介質(zhì)取得雙負(fù)參數(shù)時(shí)，分布參數(shù)LL和CL將起主要作用，但由于寄生效應(yīng)，LR和CR也將存在。

圖3給出了該異向介質(zhì)的本構(gòu)參數(shù)[12]，可知在2~8 GHz介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率均為正數(shù)，而且數(shù)值非常穩(wěn)定，有效地減小了色散特性。當(dāng)l′趨近于1/4波長(zhǎng)時(shí)，Y2=Y20/Ys。此時(shí)若異向介質(zhì)電路發(fā)生諧振或成感性，這意味著輸入阻抗將能夠更加接近實(shí)數(shù)，從而使得天線在其諧振頻點(diǎn)周圍工作的相當(dāng)平穩(wěn)，為獲得良好的帶寬特性提供了可能。為了驗(yàn)證以上理論，圖4給出了該天線饋電點(diǎn)的輸入阻抗，可以看出，2~8 GHz頻段內(nèi)輸入阻抗的實(shí)部相比于虛部將起主導(dǎo)作用，并且非常接近50 Ω的天線特性阻抗。對(duì)應(yīng)實(shí)部最接近50 Ω且虛部最接近0的頻段，這也正好預(yù)示了該異向介質(zhì)共勉波導(dǎo)饋天線的諧振頻段。

另外，異向介質(zhì)地板也會(huì)對(duì)不同頻段的電磁波產(chǎn)生不同的反射和透射，以此來影響天線的某些輻射特性，在3~8 GHz內(nèi)異向介質(zhì)呈現(xiàn)雙正參數(shù)對(duì)應(yīng)的為無截止頻率的傳輸通帶，天線所輻射的電磁波將更多的直接透射過異向介質(zhì)加載的地板，造成天線在此頻段具有全向的輻射方向圖。因此，可以通過調(diào)整異向介質(zhì)不同的擺向，以不同的通帶或阻帶來控制天線輻射方向。

圖3 異向介質(zhì)的本構(gòu)參數(shù)

圖4 異向介質(zhì)天線輸入阻抗

2 仿真結(jié)果及其分析

利用Ansoft HFSS 11.0對(duì)異向介質(zhì)共面波導(dǎo)饋天線進(jìn)行全波仿真，并且與實(shí)際天線測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。圖5給出了該異向介質(zhì)的加工實(shí)物。圖6則給出了此新型和傳統(tǒng)地板天線的回波損耗，從仿真結(jié)果可以看出，以5.8 GHz為中心頻率，異向介質(zhì)天線小于-10 dB的相對(duì)帶寬達(dá)到了80%以上。

圖7給出了各諧振頻點(diǎn)的輻射方向圖。而且，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合，其低頻駐波還要優(yōu)于仿真結(jié)果，證明了異向介質(zhì)天線分析和設(shè)計(jì)的正確性。諧振頻帶包含了無線通信中IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)5.1~5.8 GHz以及IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)固定和移動(dòng)寬帶無線接入系統(tǒng)的所有載波頻段，使得該天線有著廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。值得注意的是，在整個(gè)異向介質(zhì)天線的設(shè)計(jì)中，并沒有附加任何的匹配網(wǎng)絡(luò)來提高寬帶，所以這個(gè)新型天線的效率會(huì)很高，而且更有利于小型化的實(shí)現(xiàn)。所以，除了貼片尺寸等一些傳統(tǒng)參量，基板的材質(zhì)和厚度也將至關(guān)重要，這里不再贅述。

圖5 天線加工實(shí)物

圖6 回波損耗隨頻率的變化曲線

圖7 不同頻率下的輻射方向圖

3 結(jié) 語

研究了加載異向介質(zhì)地板共面波導(dǎo)饋天線的新型輻射特性，通過對(duì)共面波導(dǎo)饋天線傳輸線模型的修正分析，從物理上有效地解釋了該天線帶寬性能提高。仿真數(shù)據(jù)表明，這種天線-10 dB相對(duì)帶寬達(dá)到了80%以上，諧振頻率包含多種無線局域網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)及城域網(wǎng)3~8 GHz固定和移動(dòng)寬帶無線接入系統(tǒng)的應(yīng)用載波頻段，大幅度地提高了傳統(tǒng)天線的窄帶局限。在諧振頻帶內(nèi)，這種天線具有全向的輻射特性。最后，給出了天線實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了異向介質(zhì)加載天線的合理性與可行性。

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