基于復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的新型微帶天線

李昕昕，齊本勝

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

基于復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的新型微帶天線

李昕昕1，2，齊本勝1，2

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

基于復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的零階諧振理論，提出了一種新型雙層結(jié)構(gòu)的微帶天線，仿真結(jié)果表明該天線具有比單層微帶天線更小的尺寸。研究了天線各結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線特性的影響，并對各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化仿真。仿真結(jié)果表明該天線具有全向輻射特性，與傳統(tǒng)微帶天線相比，該天線具有體積小的特點(diǎn)。

雙層微帶天線；零階諧振；復(fù)合左右手傳輸線；全向輻射

1 引 言

2002年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Caloz和Itoh教授提出了用傳輸線［1］實(shí)現(xiàn)左手材料的新方法，并將其命名為左手傳輸線。加拿大多倫多大學(xué)的Eleftheriades教授通過在傳輸線中周期地加載集總電感、電容元件實(shí)現(xiàn)了傳輸線的左手傳輸特性［2］。復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)具有一些獨(dú)特特性，其中的零相移特性使得人們可以利用其實(shí)現(xiàn)零階諧振天線。由于零階諧振天線的諧振頻率與天線尺寸無關(guān)，僅與天線的電抗值有關(guān)，因而具有小尺寸、低損耗等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)微帶天線雖然具有體積小、重量輕、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，但還是很難滿足現(xiàn)代通信對天線小尺寸的要求。

目前基于復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的天線研究成果有很多，例如文獻(xiàn)［3］提出了一種雙波段零階諧振天線，文獻(xiàn)［4］提出了一種雙層混合結(jié)構(gòu)的諧振天線，文獻(xiàn)［5］提出的一種新型交指型結(jié)構(gòu)的零階諧振天線。

基于復(fù)合左右手傳輸線理論，提出了一種新型雙層結(jié)構(gòu)的微帶天線。該天線的電尺寸和相對帶寬分別為0.157λ0*0.18λ0*0.02λ0和1.1%，對方向圖的分析表明該天線具有類單極子天線的全向輻射特性。

2 零階諧振天線原理

根據(jù)對復(fù)合左右手傳輸線的研究［6］，復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)單元原理圖如圖1（a），運(yùn)用布洛赫定理有如下色散關(guān)系［7］：

式中βn（ω）為第n階模式電磁波的相移常數(shù)、CL為串聯(lián)電容、LL為并聯(lián)電感、CR為并聯(lián)電容、LR為串聯(lián)電感、ω為角頻率、P為單元長度。由式（1）和（2）可得CRLH-TL單元的色散曲線如圖1（b），從色散曲線可以看出，CRLH-TL結(jié)構(gòu)的相位傳播常數(shù)可以為負(fù)值、零或正值。當(dāng)相位傳播常數(shù)為零時(shí)，天線的諧振波長趨向于無窮大，天線將不受物理尺寸限制，即所謂的零階諧振天線或無限波長諧振天線。

圖1 CRLH單元等效電路模型和色散曲線

當(dāng)復(fù)合左右手傳輸線滿足以下關(guān)系時(shí)即構(gòu)成一個(gè)諧振器：

式中，βn為諧振模式n對應(yīng)的相移常數(shù)，p為每個(gè)單元長度，N為單元個(gè)數(shù)。

諧振器在開放邊界條件下，它的零階諧振頻率可以由下式求得［8］：

式（4）表明通過調(diào)節(jié)復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)中的LL、CR兩個(gè)參數(shù)可以達(dá)到控制諧振頻率的目的，從而實(shí)現(xiàn)天線的小型化。

3 天線設(shè)計(jì)與仿真

該天線結(jié)構(gòu)為改進(jìn)的蘑菇狀結(jié)構(gòu)，如圖2（a），（b）和（c）所示，它由兩層形狀相同的輻射貼片組成，其中每層的輻射貼片由兩個(gè)同心圓環(huán)組成。左手電容（CL）主要由兩個(gè)同心圓環(huán)之間的縫隙耦合實(shí)現(xiàn)，左手電感（LL）主要由短路針實(shí)現(xiàn)，右手電容（CR）主要由貼片與貼片之間和貼片與地板之間的分布電容引起，右手電感（LR）主要由輻射貼片自身的分布電感引起。

圖2 天線結(jié)構(gòu)圖

通過利用CST Microwave Studio軟件對天線優(yōu)化仿真，得到的最優(yōu)參數(shù)值如下：

L1＝12.97mm，L2＝6mm，L3＝0.6mm，L4＝12.5mm，L5＝13mm，L6＝17.4mm，L7＝2mm，L8＝3.5mm，L9＝40mm，L10＝35mm。天線的介質(zhì)板采用Rogers公司的RT／duroid 5880，介電常數(shù)為2.2。

圖3給出了天線的回波損耗曲線，由圖可知，天線零階工作模式的諧振頻率為1.35GHz，絕對帶寬為15MHz，因此天線的電尺寸和相對帶寬分別為0.157λ0*0.18λ0*0.02λ0和1.1%。圖4給出了天線在零階諧振工作模式頻率為1.35GHz下的輻射方向圖，由圖可以看出該天線在零階諧振模式下的輻射方向圖類似于單極子天線的輻射方向圖，具有全向性，該天線可應(yīng)用于短距離無線通信，尤其是對天線尺寸和穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的場合。

圖3 天線的回波損耗曲線

圖4 天線在1.35GHz時(shí)的輻射方向圖

4 結(jié)論

利用CRLH-TL的零階諧振特性，設(shè)計(jì)了一種新型雙層微帶天線，仿真結(jié)果表明該天線具有比單層微帶天線更小的尺寸，天線電尺寸為0.157λ0* 0.18λ0*0.02λ0。天線處于零階諧振模式時(shí)，仿真輻射方向圖表明該天線具有類單極子天線的全向輻射特性，該天線可應(yīng)用于短距離無線通信，尤其適用于對天線尺寸和穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的場合。

［1］CALOZ C，ITOH T.Application of the Transmission Line Theory of Left-handed（LH）Materials to the Realization of a Microstrip LH line［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，2（3）：412-415.

［2］George V Eleftheriades，Ashwin K Iyer，Peter C Kremer.Planer negative refractive index media using periodically L-CLoaded transmission lines［J］.IEEE Trans Micro TheoTech，2004，50（12）：2702-2712.

［3］Shih-Chia Chiu，Chien-Pai Lai，Shin-Yuan Chen.Compact CRLH CPW Antennas Using Novel Termination Circuits for Dual-Band Operation at Zeroth-Order Series and Shunt Resonances［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61（3）：1071-1080.

［4］He-Xiu Xu，Guang-Ming Wang，Mei-Qing Qi.Analysis and Design of Two-Dimensional Resonant-Type Composite Right／Left-Handed Transmission Lines With Compact Gain-Enhanced Resonant Antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，2（16）：735-737.

［5］耿林，王光明，張晨新，等.基于新型復(fù)合左右手傳輸線的零階諧振天線［J］.微波學(xué)報(bào)，2008，28（3）：17-20.

［6］SANADA A，CALOZ C，ITOH T.Characteristics of the composite right／left-handed transmission lines［J］.IEEEmicrowavemagazine，2004，14（2）：68-70.

［7］SANADA A，CALOZ C，ITOH T.Zeroth Order Resonance in Composite Right／left-handed Transmission Line Resonators［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，2（13），1588-1592.

［8］Caloz C，Itoh T.Electromagnetic metamaterials：Transmission line theory and microwave applications［M］.New York：Wiley，2005.

A New Microstrip Antenna Based on Composite Right／Left-Handed Transm ission Line Structure

LIXin-xin1，2，QIBen-sheng1，2
（1.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.Changzhou Key Laboratory of Sensor Networks and Environmental Sensing，Changzhou 213022，China）

Based on the zeroth-order resonance theory of the composite right／left-handed transmission line，this paper presents a new double layermicrostrip antenna，and the simulated results show that the antenna is smaller than the single layermicrostrip one.The influence of parameters of the antenna on the characteristics of the antenna is studied，and the parameters are simulated and optimized.The simulated results show that the antenna can omnidirectionally radiate at its operational frequency and has the advantages of small size and high gain comparing with the traditional ones.

Double layermicrostrip antenna；Zeroth-order resonance；Composite right／left-handed transmission line；Omnidirectional radiation

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.014

TN828.4

：A

：1002-2279（2014）04-0044-03

李昕昕（1989-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主研方向：超介質(zhì)天線設(shè)計(jì)。

2014-02-26