魏良桂

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

基于左手材料的天線小型化技術(shù)研究

魏良桂

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

分析了左手材料實(shí)現(xiàn)小型化天線的理論依據(jù)，分析、設(shè)計(jì)了一種基于蘑菇型復(fù)合左右手傳輸線的微帶天線，工作在1.6 GHz，并利用電磁仿真軟件進(jìn)行了優(yōu)化，給出了利用復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的后向波效應(yīng)，該天線不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且天線尺寸在X軸方向縮減了40.3%，在Y軸方向縮減了52.7%。

微帶天線；小型化天線；蘑菇型復(fù)合左右手傳輸線；后向波效應(yīng)

0 引 言

左手介質(zhì)是20世紀(jì)90年代末期出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)的人工電磁媒質(zhì)，它同時(shí)具有負(fù)值的介電常數(shù)和負(fù)值的磁導(dǎo)率，導(dǎo)致在該媒質(zhì)中傳播的電磁波其電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H以及波矢量k三者構(gòu)成左手系，而不遵循常規(guī)媒質(zhì)的右手法則，故而得名。自美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的Smith于2000年首次人工構(gòu)造出這種自然界中并不存在的媒質(zhì)以來，由于它所具有一系列超常規(guī)的電磁特性(包括左手特性、負(fù)折射特性、后向波特性等)而備受關(guān)注。國(guó)內(nèi)外的研究成果表明，上述電磁特性具有較廣泛的應(yīng)用前景，本文將著重探討后向波特性及其在微帶天線小型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

Engheta的理論研究結(jié)果表明，將左手介質(zhì)的后向波效應(yīng)和傳統(tǒng)介質(zhì)的前向波效應(yīng)相結(jié)合可以設(shè)計(jì)出小于半波長(zhǎng)的諧振腔，且諧振腔的物理尺寸不再受制于諧振頻率，而是取決于左手介質(zhì)與傳統(tǒng)介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系參數(shù)的比值，近期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該理論的正確性和可行性。在這個(gè)應(yīng)用實(shí)例中，左手介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)相位補(bǔ)償器，電磁波在傳統(tǒng)介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的相位差可以通過左手介質(zhì)的后向波效應(yīng)加以補(bǔ)償。左手介質(zhì)作為相位補(bǔ)償器在微帶天線小型化方面也具有巨大的應(yīng)用潛力，應(yīng)為根據(jù)羅遠(yuǎn)祉等提出的微帶天線空腔模型理論，微帶貼片與接地板之間可以看成是四周為磁壁、上下為電壁的諧振腔。因此微帶天線也可以利用左手介質(zhì)相位補(bǔ)償效應(yīng)突破傳統(tǒng)微帶天線半波長(zhǎng)電尺寸的束縛，使得小型化設(shè)計(jì)成為可能[1]。

Tretyakov等人也利用左手材料的傳輸線模型對(duì)其實(shí)現(xiàn)天線小型化的理論進(jìn)行了研究，通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)得出：雖然天線的工作頻帶在其色散特性的影響下變窄，但是天線的尺寸得到了很大程度的縮減，由此可見，利用左手材料實(shí)現(xiàn)天線的小型化是完全可行的[2]。

1 復(fù)合左右手傳輸線簡(jiǎn)介

左手材料發(fā)展迅猛，在微波、通訊和天線等研究領(lǐng)域引起人們廣泛關(guān)注。其中一類被稱為復(fù)合左右手傳輸線(CRLH-TL)，它是在普通傳輸線上加載并聯(lián)電感和串聯(lián)電容構(gòu)成的，具有后向波傳輸和零傳播常數(shù)等獨(dú)特性質(zhì)。利用這些特性，可以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊的新型平面天線。如利用蘑菇狀結(jié)構(gòu)單元可以實(shí)現(xiàn)CRLH-TL，它能夠發(fā)生負(fù)、零及正階模式的諧振。

蘑菇型復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，圖1(b)為其等效電路。該結(jié)構(gòu)由正方形貼片及接地通孔有序排列組成。蘑菇狀結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電容對(duì)應(yīng)貼片之間的縫隙電容，并聯(lián)電感對(duì)應(yīng)接地通孔產(chǎn)生的電感。串聯(lián)電感對(duì)應(yīng)于微帶貼片自身的分布電感，并聯(lián)電容對(duì)應(yīng)于貼片和接地板之間的分布電容。

圖1 蘑菇型復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)

將BlochFloquet理論應(yīng)用到CRLH-TL基本單元的等效電路中，可以得到CRLH-TL的色散關(guān)系為:

(1)

將N個(gè)基本單元串聯(lián)起來可以構(gòu)造長(zhǎng)度為L(zhǎng)=Np的CRLH-TL，色散曲線如圖2所示[3]。

圖2 色散曲線圖

一般而言，由于串聯(lián)諧振頻率ωse和并聯(lián)諧振頻率ωsh并不相等，所以在CRLH-TL的左手區(qū)域和右手區(qū)域之間存在禁帶。當(dāng)CRLH-TL發(fā)生諧振時(shí)，滿足：

(2)

在復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)特有的零階諧振模式下，理論上電磁波的傳輸常數(shù)β為零，此時(shí)波長(zhǎng)即為無窮大，因而天線的工作頻率(天線波長(zhǎng))就不再依賴于天線的幾何尺寸，而僅與構(gòu)成左右手傳輸線的左手電感和右手電容有關(guān)，因此就可以通過適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線小型化。當(dāng)β<0時(shí)，k0(自由空間的波矢量)指向天線的源端方向，形成后向波；當(dāng)β>0時(shí)，k0指向天線的終端方向，形成前向波，也可以調(diào)整傳輸線結(jié)構(gòu)的尺寸,利用其后向波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)小型化。

2 天線的仿真

應(yīng)用CRLH結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小型化天線，設(shè)計(jì)的工作頻率是1.6GHz，可以用于設(shè)計(jì)船舶救險(xiǎn)報(bào)警中的1.6GHzEPIRB天線，設(shè)計(jì)的思路是在微帶天線中部分加載蘑菇型CRLH-TL結(jié)構(gòu)，達(dá)到減少微帶天線尺寸的目的，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)構(gòu)圖

天線由兩單元的蘑菇型結(jié)構(gòu)組成，采用相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度h=10.2mm，長(zhǎng)L0=80mm、寬W0=80mm的RogersRT/duroid5880介質(zhì)基板，介質(zhì)基板上面印刷天線，底面是接地板。微帶貼片的尺寸是L×W=34mm×34mm，天線采用同軸線饋電，同軸線距離貼片中心的距離是s=14mm，同軸線的外半徑d0=1.7mm，內(nèi)半徑d1=0.5mm。CRLH單元的尺寸是L1(x方向)×W1(y方向)=10mm×l4mm，過孔的半徑是R2=0.11mm，CRLH單元和貼片之間的縫寬是g2=0.58mm，兩CRLH單元之間的縫寬是g1=0.8mm。間隙g1、g2的作用是產(chǎn)生左手電容，即串聯(lián)電容。2個(gè)短路過孔的作用是用來產(chǎn)生左手電感，即并聯(lián)電感。右手電感是由貼片上的位移電流引起，右手電容是貼片和接地板之間產(chǎn)生的平板電容。

采用HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真，利用優(yōu)化所得最佳尺寸得到反射系數(shù)S11曲線，如圖4所示。

圖4 天線的S11曲線

由S11曲線可以看出，天線在1.6GHz處的反射系數(shù)是-25.171 9dB，天線的尺寸與工作波長(zhǎng)的關(guān)系是(λ/5.51)×(λ/5.51)×(λ/18.4)，即34mm×34mm×10.2mm,可以看出天線相對(duì)于傳統(tǒng)的微帶天線有了大幅度的縮減(在同樣的條件下，利用經(jīng)典的微帶天線方法計(jì)算出的貼片的尺寸是(λ/3.32)×(λ/2.52)×(λ/18.4)，即57mm×73mm×10.2mm[4])，在1.6GHz處的輻射方向圖如圖5所示。加載CRLH的微帶天線的帶寬為1.59～1.61GHz，相對(duì)帶寬為1.25%，增益為1.865dB。不加材料的微帶天線在1.58GHz處諧振，它的帶寬為1.56～1.59GHz，相對(duì)帶寬為1.9%?？梢缘贸鎏炀€在x軸方向縮減了40.3%，在y軸方向縮減了52.7%，但帶寬和增益都有所減小。

圖5 天線在1.6 GHz處的方向圖

3 結(jié)束語

本文在研究左手材料實(shí)現(xiàn)小型化理論依據(jù)的同時(shí)，基于1×2的蘑菇型復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了具有后向波效應(yīng)的1.6GHz微帶天線基板，對(duì)微帶天線的縱向波進(jìn)行相位補(bǔ)償，探討利用后向波效應(yīng)減小微帶天線縱向尺寸的可行性和實(shí)用性。通過仿真優(yōu)化，獲得在1.6GHz處的S11達(dá)到-25.17dB，天線增益為1.86dB。仿真結(jié)果驗(yàn)證了利用左手材料的后向波效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)微帶天線小型化，且將其縱向尺寸減小了52.7%，突破了傳統(tǒng)微帶天線的半波長(zhǎng)尺寸設(shè)計(jì)要求的限制。雖然在小型化后天線的帶寬、增益等性能都有所降低，但是仍在可接受的范圍內(nèi)。研究結(jié)果表明，微帶天線的這 項(xiàng)小型化技術(shù)具有較高的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

[1] ENGHETA N.An idea for thin subwavelength cavity resonators using metamaterials with negative permittivity and permeability[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2002，1(1):10-13.

[2] TRETYAKOV S A.Modeling of patch antennas partially loaded with dispersive backward -wave materials[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2005,4(1):266-269.

[3] 李明明,趙曉鵬.基于復(fù)合左右手傳輸線的新型低剖面全向微帶天線[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(5):46.

[4] 劉福平.左手材料基本特性及其在小型化天線中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010.

Research into Antenna Miniaturization Technology Based on Left Handed Material

WEI Liang-gui

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper analyzes the theory base to realize the miniaturization antenna by means of left handed material,analyzes and designs a microstrip antenna based on mushroom composite left handed and right handed transmission line,which operates at 1.6 GHz,and performs the optimization by using electromagnetic simulation software,gives the backward wave effect using left handed and right handed composite transmission line structure.For the antenna, not only the structure is simple,but also the size decreases 40.3% atXaxes direction and 52.7% atYaxes direction.

microstrip antenna；miniaturization antenna；mushroom left handed and right handed composite transmission line；backward wave effect

2016-08-03

TN826

A

CN32-1413(2016)06-0055-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.012