螺旋諧振器構(gòu)成的新穎左手移相單元設(shè)計(jì)

逯 科,王光明,徐 彤,徐海洋

（1.空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院防空導(dǎo)彈微波應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室,陜西三原713800;2.空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院制導(dǎo)雷達(dá)教研室,陜西三原 713800）

螺旋諧振器構(gòu)成的新穎左手移相單元設(shè)計(jì)

逯 科1,王光明1,徐 彤2,徐海洋1

（1.空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院防空導(dǎo)彈微波應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室,陜西三原713800;2.空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院制導(dǎo)雷達(dá)教研室,陜西三原 713800）

提出了由螺旋諧振器構(gòu)成的新穎非對(duì)稱非直連形式左手移相單元,目前此類左手移相單元是實(shí)現(xiàn)低剖面單極子天線的關(guān)鍵器件。利用全波電磁仿真工具,對(duì)非對(duì)稱非直連單元和已經(jīng)提出的對(duì)稱直連單元、對(duì)稱非直連單元進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明,非對(duì)稱非直連單元比對(duì)稱直連單元插損特性好,而且其相位特性在很寬的頻帶內(nèi)非常相似;上述兩種單元比對(duì)稱直連單元表現(xiàn)出更明顯的左手效應(yīng)。

螺旋諧振器;左手移相單元;低剖面單極子

1 引 言

左手材料的理論設(shè)想從1999年被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)以來(lái),在近10年的時(shí)間里,在人工電磁材料、光學(xué)和微波等領(lǐng)域取得了豐碩成果[1]。作為左手材料研究的重要分支,微波領(lǐng)域的研究集中于將左手單元的奇異電磁特性應(yīng)用于微波器件,實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn),比如利用CSRR（Complementary Split Rings Resonator）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能微波電路[2],應(yīng)用于微帶天線特性改進(jìn)[3]。雙螺旋諧振器是近年來(lái)提出的一種新型左手結(jié)構(gòu),學(xué)術(shù)界對(duì)其基本特性已有初步研究,該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究也已展開[4,5]。與右手傳輸線的線性相位特性不同,左手單元組成的傳輸線具有非線性的相位特性,并且在特定頻段會(huì)表現(xiàn)出正相移、零相移特性。利用這些奇異的相位特性可以大大減小單極子、環(huán)天線和折合振子天線的物理尺寸,實(shí)現(xiàn)低剖面結(jié)構(gòu)[6,7]。作為研究思路的自然延伸,利用由螺旋諧振器構(gòu)成的新型左手單元的奇異相位特性實(shí)現(xiàn)單極子或折合振子天線低剖面特性改進(jìn)也引起了極大的關(guān)注,目前已有研究人員利用雙螺旋諧振單元實(shí)現(xiàn)了高度只有1/9波長(zhǎng)的折合振子天線[8]。本文研究了基于螺旋諧振器的3種不同左手單元的特性,這些單元是實(shí)現(xiàn)低剖面單極子的關(guān)鍵。利用全波仿真手段對(duì)3種單元的電磁特性進(jìn)行了比較研究,并對(duì)其實(shí)現(xiàn)低剖面特性的規(guī)律進(jìn)行了分析評(píng)估。

2 基于左手單元實(shí)現(xiàn)單極子低剖面技術(shù)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)單極子天線長(zhǎng)度是中心頻率下波長(zhǎng)的四分之一,利用終端開路條件,在金屬導(dǎo)線上建立同向諧振電流,從而形成有效輻射。由于諧振天線的諧振屬性,傳統(tǒng)單極子天線有效帶寬較窄,并且在較低頻率的應(yīng)用中存在尺寸較大的問(wèn)題。目前,利用左手單元改進(jìn)單極子和折合振子尺寸的主要研究思想可以概括如下:利用左手單元奇異的相位特性,可以用較小的物理尺寸實(shí)現(xiàn)較大的相移,從而可以改變導(dǎo)線上的電流分布,使得單極子彎折后平行導(dǎo)線上電流同向,保持輻射特性不改變,從而實(shí)現(xiàn)低剖面特性[6-8]。文獻(xiàn)[6]利用集總電容、電感元件實(shí)現(xiàn)了左手移相網(wǎng)絡(luò),其天線及左手單元具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 文獻(xiàn)[6]中天線結(jié)構(gòu)及左手單元結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of antenna and the left-handed cell in reference 6

文獻(xiàn)[7]利用金屬帶線和集總電容元件構(gòu)建了左手移相網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了低剖面的環(huán)天線,該天線結(jié)構(gòu)和左手單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 文獻(xiàn)[7]中天線結(jié)構(gòu)及左手單元結(jié)構(gòu)Fig.2The structure of antenna and the left-handed cell in reference 7

文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了完全用分布參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)的左手單元,并實(shí)現(xiàn)了低剖面天線結(jié)構(gòu),其天線結(jié)構(gòu)和左手單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。該天線利用螺旋諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了左手移相單元,該結(jié)構(gòu)單元是分布參數(shù)元件,并且整個(gè)單元的尺寸較小,適用于較低頻率的微波工程應(yīng)用。

圖3 文獻(xiàn)[8]中天線結(jié)構(gòu)及左手單元結(jié)構(gòu)Fig.3The structure of antenna and the left-handed cell in reference 8

通過(guò)對(duì)上述技術(shù)的總結(jié)分析可以看出,左手移相單元是實(shí)現(xiàn)天線低剖面的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[6,7]都在左手單元中使用了集總參數(shù)元件,使得這些單元很難應(yīng)用于高頻場(chǎng)合。而文獻(xiàn)[8]完全使用的是分布參數(shù)元件,但僅僅探討一種結(jié)構(gòu),相關(guān)研究并沒(méi)有全面展開。

3 基于螺旋諧振器左手單元設(shè)計(jì)

除文獻(xiàn)[8]采用的單元結(jié)構(gòu)外,利用螺旋諧振單元還可以構(gòu)建其它形式的左手單元,它們的電磁特性存在共性的地方,也因?yàn)榫唧w幾何結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致某些特性的不同,深入研究這些單元的電磁特性對(duì)于設(shè)計(jì)更加出色的左手單元和天線結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。本文對(duì)基于螺旋諧振器的左手單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。上述單元的結(jié)構(gòu)具體如圖4所示,圖中dx表示單元長(zhǎng)度,dy表示單元寬度,w表示螺旋線寬度,dis表示螺旋線間距。

圖4 基于螺旋諧振器的左手單元結(jié)構(gòu)Fig.4 The structures of the left-handed cells based on spiral resonantors

為比較研究方便,各單元采用相同的尺寸?？紤]到仿真建立端口的需要,在所有單元左右兩側(cè)附加了兩段長(zhǎng)3 mm的微帶線,附加微帶線長(zhǎng)度不計(jì)入dx。仿真中,各單元均采用兩圈螺旋結(jié)構(gòu),采用介電常數(shù)為2.2、厚度為1.5 mm、正切損耗為0.001的介質(zhì)基板,并考慮單元寬度和50 Ψ微帶線寬度的一致性,經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化,各部分尺寸分別為dx=9 mm,dy=4.2 mm,w=0.5 mm,dis=0.5 mm。

4 單元特性比較分析

根據(jù)已有的研究工作,選擇低剖面單極子的移相單元,必須對(duì)其插損特性和相位特性做出綜合權(quán)衡。插損特性和相位特性是移相單元研究關(guān)注的重點(diǎn)。因此,利用全波電磁仿真工具HFSS對(duì)上述3個(gè)單元進(jìn)行仿真,得到其插入損耗特性和S21相位特性分別如圖5和圖6所示。

圖5 3個(gè)單元插入損耗特性比較Fig.5 The comparison of the insert loss character of the given three units

圖6 3個(gè)單元S21相位特性比較Fig.6 The comparison of the phase character of the given three units

從圖中結(jié)果來(lái)看,在dx、dy、w、dis等幾何參數(shù)保持一致的前提下,對(duì)稱直連單元和非對(duì)稱非直連單元在0.1～4 GHz頻段內(nèi)存在插損特性較好的頻點(diǎn),而對(duì)稱非直連單元在0.1～4GHz的整個(gè)頻段內(nèi)插損特性都比較差,均小于-7 dB。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可知,對(duì)稱非直連單元的插損特性可以通過(guò)幾何參數(shù)優(yōu)化對(duì)插損特性進(jìn)行一定程度的改進(jìn)。從圖5可知,對(duì)稱直連單元的插入損耗特性和非對(duì)稱非直連單元的插入損耗特性并不一致,對(duì)稱直連單元在1～2.5 GHz頻段內(nèi)都具有良好的插入損耗特性,表現(xiàn)出低通特性。定性地分析表明,由于該結(jié)構(gòu)在兩個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)間有直接的金屬連接,在低頻段也可以保證電流通過(guò);而非直連單元都是通過(guò)電磁耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電流傳輸,在低頻段傳輸特性必然會(huì)降低。非對(duì)稱非直連單元?jiǎng)t在約3.5 GHz頻點(diǎn)處諧振,插損特性最優(yōu)。

進(jìn)一步考慮3個(gè)單元的相位特性。從圖6所示的仿真結(jié)果來(lái)看,在1～3.5 GHz頻帶內(nèi),對(duì)稱非直連單元與非對(duì)稱非直連單元的相位特性非常相似。對(duì)兩個(gè)單元部分低頻頻點(diǎn)相位特性曲線的局部放大,也證明兩者相位特性相似性是很大的。同時(shí)必須注意到,對(duì)稱非直連單元和非對(duì)稱非直連單元的相位在1～2.8 GHz的頻帶范圍內(nèi)為正,這是兩個(gè)單元存在左手特性的直接證明。相比之下,對(duì)稱直連單元?jiǎng)t僅在0.1～0.3 GHz范圍內(nèi)具有正相位值,但值均比較小。文獻(xiàn)[4,5]對(duì)對(duì)稱直連結(jié)構(gòu)的左手特性已做出證明,并考慮仿真中附加微帶線引入的右手效應(yīng)對(duì)左手效應(yīng)的抵消,可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)也是左手單元。非常明顯的是,對(duì)稱非直連單元和非對(duì)稱非直連單元的左手效應(yīng)要遠(yuǎn)強(qiáng)于對(duì)稱直連單元。在3.5 GHz之后的頻點(diǎn),各個(gè)單元的相位均出現(xiàn)了較大幅度的變化,可以定性認(rèn)為是高頻寄生參數(shù)影響加劇所致。由于規(guī)律性較差,在工程實(shí)踐中,這部分特性不做考慮。

綜上所述,根據(jù)各單元的特點(diǎn),可在較低頻率的情形下,考慮利用對(duì)稱直連單元實(shí)現(xiàn)相移網(wǎng)絡(luò)。在較高頻率應(yīng)用場(chǎng)合,可以考慮使用非對(duì)稱非直連單元,除了良好的插損特性,該結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)正相移和零相移,這是傳統(tǒng)右手傳輸線不可能實(shí)現(xiàn)的。

5 結(jié) 論

目前,利用左手單元奇異相位特性的單元是實(shí)現(xiàn)振子天線低剖面的關(guān)鍵元件。本文提出了一種新穎的由螺旋諧振器構(gòu)成的非對(duì)稱非直連左手移相單元。該單元完全由分布元件實(shí)現(xiàn),克服了一些傳統(tǒng)的、由集總元件構(gòu)成的左手移相單元的缺陷。利用全波電磁仿真工具,構(gòu)建了大致相同的對(duì)比條件,對(duì)非對(duì)稱非直連單元和已經(jīng)提出的對(duì)稱直連單元、對(duì)稱非直連單元的插損特性和相位特性進(jìn)行了比較研究。通過(guò)對(duì)各單元插損特性和相位特性的綜合考慮可知,非對(duì)稱非直連單元表現(xiàn)出較好的插損特性和明顯的左手效應(yīng),是適合應(yīng)用于低剖面單極子天線的新型左手移相單元。該單元可以進(jìn)一步改善振子天線的低剖面特性。在今后的工作中,需要進(jìn)一步研究各單元電磁耦合的物理機(jī)理,深入探討造成各單元特性差異的內(nèi)在因素,建立完善的理論分析模型。

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Design of Novel Left-handed Phase-shift Cell Composed of Spiral Resonators

LU Ke1,WANG Guang-ming1,XU Tong2,XU Hai-yang1
（1.Microwave Laboratory,Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China;2.Radar Engineering Department,Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China）

A novel unsymmetrical indirectly-connected left-handed phase shift cell composed of spiral resonators is proposed and this kind of left-handed phase-shift units are the key components to realize low-p rofile monopoles.With the help of full-wave simulation tool,symmetrical directly-connected cell,symmetrical indirectly-connected cell and unsymmetrical indirectly-connected cell are comparatively studied.The results indicate that the insert loss character of unsymmetrical indirectly-connected cell is better than that of symmetrical indirectly-connected cell and the phase properties of these two units are similar in quite broad frequency band.In addition,the left-handed effect of the above-mentioned two units ismore obvious than that of symmetrical directly-connected cell.

spiral resonator;left-handed phase-shift cell;low-profile monopole

The National Natural Science Foundation of China（No.60971118）

TN602

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.017

1001-893X（2011）02-0085-05

2010-11-19;

2010-12-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60971118）

逯 科（1983-）,男,山西朔州人,分別于2006年和2009年獲空軍工程大學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)樾滦妥笫植牧显O(shè)計(jì)及其應(yīng)用;

LU Ke was born in Suozhou,Shanxi Province,in 1983.He

the B.S.degree and the M.S.degree from Air Force Engineering University in 2006 and 2009,respectively.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns the design and application of metamaterials.

Email:look luna@126.com

王光明（1964-）,男,安徽碭山人,分別于 1982年和1990年獲空軍導(dǎo)彈學(xué)院學(xué)士及碩士學(xué)位,于1994年獲電子科技大學(xué)博士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樘炀€與毫米波電路、電磁兼容、電磁散射與逆散射等;

WANG Guang-ming was born in Dangshan,Anhui Province,in 1964.He received the B.S.degree,the M.S.degree from Air Force Missile Institute and the Ph.D.degree from University of Electronic Science and T echnology of China in 1982,1990 and 1994,respectively.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.H is research interests include antenna and millimeter wave circuit,EMC,scatter and inverse scatter of electromagnetic wave,etc.

徐 彤（1978-）,男,陜西三原人,分別于2000年和2003年獲空軍工程大學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)講師,主要研究方向?yàn)楦咚傩盘?hào)處理;

XU Tong was born in Sanyuan,Shaanxi Province,in 1978.He received the B.S.degree and the M.S.degree from Air ForceMissile Institute in 2000 and 2003,respectively.He is now a lecturer.His research direction is high speed signal processing.

徐海洋（1983-）,男,四川廣安人,分別于2006年和2009年獲空軍工程大學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)樘炀€、電磁兼容與電波傳播。

XU Hai-yang was born in Guang′an,Sichuan Province,in 1983.He received the B.S.degree and the M.S.degree from Air Force Engineering University in 2006 and 2009,respectively.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research interests include antenna,EMC and wave propagation.