采用彎折線結(jié)構(gòu)的緊湊型三模超材料單極天線研究

袁海軍1李軍偉2

(1.電子科技大學(xué)中山學(xué)院，廣東 中山 528402；2.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

摘要：提出了一種采用彎折線結(jié)構(gòu)的緊湊型三模超材料單極天線，該天線具有三種工作模式：負(fù)階諧振(NOR)、零階諧振(ZOR)和正階諧振(POR)。其中，零階諧振和正階諧振兩模融合成一個(gè)單一的通頻帶(4.3～5.6 GHz)，獲得雙頻段。天線的整體尺寸僅為33 mm×26 mm×1.6 mm。

關(guān)鍵詞：超材料；雙頻段；三模

基金項(xiàng)目：中山市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：2013A3FC0287

收稿日期：2015-07-23

作者簡(jiǎn)介：袁海軍(1966—)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，副教授，研究方向：天線與微波器件。

0引言

近年來(lái)，作為實(shí)現(xiàn)超材料的一種典型途徑，復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念被廣泛應(yīng)用于射頻器件。

復(fù)合左右手天線超材料的研究成果有很多，例如加載超材料的復(fù)合左右手三頻單極子天線[1]，由于諧振頻率的降低，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的小型化；寬帶零階超材料天線[2]，該天線使用了蘑菇型單元結(jié)構(gòu)，當(dāng)融合了負(fù)階和零階模式時(shí)，雖然增益低，但是獲得了較寬的帶寬；使用NRI-TL加載的印刷單極子天線[3]，超材料單元被直接集成為大約5.5 GHz的單極子天線，并產(chǎn)生了較低的頻帶。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，本文在底部用一個(gè)彎折線，把底部貼片和地連接形成接地電感。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整本構(gòu)參數(shù)，零階諧振可以融合到正階諧振上，天線就具有了頂部交指電容在2.5 GHz形成的負(fù)階諧振、零階諧振和正階諧振融合時(shí)的單一通頻帶(4.3～5.6 GHz)，因此得到了三模和雙頻段。

1天線設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，采用的基板為FR4，介電數(shù)為4.3，正切角損耗為0.025，厚度為1.6 mm，并采用50 Ω微帶線饋電。通過(guò)在傳統(tǒng)的天線上加載復(fù)合左右手傳輸線單元而形成左右手結(jié)構(gòu)，這樣有利于整個(gè)設(shè)計(jì)的小型化。簡(jiǎn)易等效電路模型如圖2所示。

圖1　天線結(jié)構(gòu)

從圖1、圖2中可以看出，頂部貼片上的交指電容形成左手電容(CL)。在底部，連接貼片和地的彎折線可以用并聯(lián)左手電

圖2　等效電路圖

感LL來(lái)等效。右手電感支路(LR)是流經(jīng)貼片長(zhǎng)度的電流分布引起，并聯(lián)右手電容(CR)由頂部貼片與底部貼片(Lb×Wb)之間產(chǎn)生。4個(gè)諧振頻率可以從等效電路模型確定：

式中，fLH、fsh、fse和fRH分別為左手、并聯(lián)、串聯(lián)和右手諧振頻率，fsh和fse是ZOR發(fā)生時(shí)的頻率。

天線參數(shù)(單位：mm)如下：Ls=33，Ws=26，Lp=10，Wp=7，L1=6.4，S=0.3，Lg=17，Wg=11.1，Wt=3.2，Wb=5，Lb=8，Lc=16.7，Za=0.4，Zb=1.25，Z1=2.5，Zw=0.2。

2仿真結(jié)果

使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS13.0對(duì)天線進(jìn)行了仿真。S11曲線如圖3所示，從仿真的S11參數(shù)可以看出，得到2.5 GHz的負(fù)階諧振、4.3 GHz的零階諧振和5.6 GHz的正階諧振三個(gè)模式。兩個(gè)模式在4.3 GHz和5.6 GHz融合成單一寬頻帶，就只有了兩個(gè)頻段。

圖3　回波損耗(S 11)仿真結(jié)果

根據(jù)S參數(shù)，利用色散關(guān)系公式得到該天線的色散曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4　色散曲線仿真結(jié)果

圖5顯示了電容CL變化在負(fù)階諧振模式上對(duì)諧振頻率的影響。交指電容L1的長(zhǎng)度從6 mm增加到6.7 mm，則諧振頻率在2.31 GHz到2.58 GHz之間變化，然而零階諧振頻率基本不受影響。

圖5　C L對(duì)負(fù)階諧振模式的影響

圖6顯示了并聯(lián)電感LL的變化，Z1的長(zhǎng)度從2.5 mm到3.5 mm變化時(shí)，零階諧振模式的諧振頻率在4.3 GHz和4.5 GHz之間變化，可知Z1對(duì)零階諧振模式的影響很大。因此，調(diào)整分布參數(shù)可使零階模式融合到正階模式，得到更寬的帶寬。

圖6　L L對(duì)零階模式的影響

圖7給出了在2～7 GHz工作頻帶內(nèi)天線的仿真增益，其變化范圍為-15.18～2.43 dBi，在2.5 GHz、4.3 GHz和5.6 GHz的最大增益分別為-5.21 dBi、1.27 dBi和2.35 dBi。

圖7　仿真增益

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一個(gè)緊湊的三模超材料天線，其在傳統(tǒng)天線上加載復(fù)合左右手傳輸線單元，構(gòu)成復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。該天線具有三種工作模式：NOR、ZOR和POR，并且兩模式融合形成一個(gè)單一的通頻帶，獲得雙波段。天線的整體尺寸僅為33 mm×26 mm×1.6 mm。

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