基于復(fù)合左右手傳輸線的小型化頻率可重構(gòu)天線

楊 虹何 莉張紅升

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

近年來，超材料(metamaterials，MTMs)由于具備傳統(tǒng)材料所不具備的特殊性質(zhì)，在微波器件和電路中引起了廣泛的關(guān)注[1－2]。常見的MTMs 包括復(fù)合左右手傳輸線(Composite Right/Left Handed Transmission Line，CRLH-TL)、負(fù)介電常數(shù)傳輸線(Epsilon-Negative Transmission Line，ENG-TL)和負(fù)磁導(dǎo)率傳輸線(Mu-Negative Transmission Line，MNG-TL)[3－6]。CRLH-TL具有零階諧振(Zeroth-Order Resonance，ZOR)特性，是設(shè)計(jì)緊湊型天線的合適材料[7－8]。在ZOR 模型中，當(dāng)諧振頻率為非零時(shí)，相位常數(shù)為零。天線頻率不受天線諧振器物理尺寸的影響，為實(shí)現(xiàn)天線小型化提供了可能。

為了實(shí)現(xiàn)緊湊型天線，文獻(xiàn)[9]中報(bào)道了一種交指電容加載的ZOR 天線，其帶寬為15.1%，峰值輻射增益為1.62 dBi。在文獻(xiàn)[10]中，作者提出了一種非對(duì)稱共面波導(dǎo)(Asymmetric Coplanar Waveguide，ACPW)饋電的ZOR 天線，并將帶寬擴(kuò)展到109.1%。終端短路CRLH-TL 的ZOR 和一階正向諧振(First-Positive-Order Resonance，F(xiàn)POR)分別是半個(gè)和一個(gè)波長(zhǎng)共振。文獻(xiàn)[11]提出了一種緊湊型ENG-TL 天線，其帶寬在5.25 GHz～13 GHz 的寬頻范圍內(nèi)，覆蓋了UWB 通信的上工作頻帶。

基于CRLH 的頻率可重構(gòu)天線不僅可以實(shí)現(xiàn)小型化，而且可以在小型化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)變頻功能。目前，頻率可重構(gòu)天線中使用了各種開關(guān)，如變?nèi)荻O管[12]、PIN 二極管[13]和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)[14]。

本文提出了一種新穎的頻率可重構(gòu)小型化CRLH-TL 天線。該天線由雙螺旋結(jié)構(gòu)、叉指結(jié)構(gòu)、通孔結(jié)構(gòu)和PIN 二極管構(gòu)成，在實(shí)現(xiàn)復(fù)合左右手傳輸線的基礎(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。

1 天線設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)的頻率可重構(gòu)CRLH-TL 天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。復(fù)合左右手傳輸線可分為諧振型CRLH-TL 和非諧振型CRLH-TL，諧振型CRLH-TL由開口諧振環(huán)和金屬棒組成，非諧振型CRLH-TL 由折線結(jié)構(gòu)、叉指結(jié)構(gòu)和過孔等方式實(shí)現(xiàn)，非諧振CRLH-TL 可更好地實(shí)現(xiàn)平面射頻器件的集成化[15]。

圖1 CRLH-TL 天線結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計(jì)的天線是由雙螺旋結(jié)構(gòu)、叉指結(jié)構(gòu)、通孔結(jié)構(gòu)和PIN 二極管組成。天線的厚度為1.6 mm、相對(duì)介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02，基板材料為FR4。天線的尺寸只有16.5 mm×15.2 mm。

1.1 CRLH-TL 理論與天線結(jié)構(gòu)

無損耗CRLH-TL 單元的等效電路模型由左手單元和右手單元組成。串聯(lián)電容器CL和并聯(lián)電感LL代表左手單元，而串聯(lián)電感LR和并聯(lián)電容器CR代表右手單元。CRLH-TL 單元的色散關(guān)系β(ω)可表示如下[16]:

β(ω)是傳播常數(shù)，p是單元的物理長(zhǎng)度。如果N個(gè)單元串聯(lián)級(jí)聯(lián)，則 CRLH-TL 的共振條件表示為[16]]:

式中:βn為第n階諧振的傳播常數(shù)，N為常數(shù)，n和l分別為諧振階數(shù)和諧振器的總長(zhǎng)度。當(dāng)n＝0 時(shí)，ZOR 會(huì)被激發(fā)。

天線的等效電路模型如圖2 所示。在建模過程中，采用PIN 二極管(型號(hào):SMP 1322)來控制頻率的變化。圖2(a)顯示了二極管導(dǎo)通狀態(tài)下的天線等效電路模型，圖2(b)顯示了二極管斷開狀態(tài)下的天線等效電路模型。雙螺旋結(jié)構(gòu)和叉指結(jié)構(gòu)構(gòu)成了右手電感和左手電容，雙螺旋結(jié)構(gòu)中心的兩個(gè)通孔接地構(gòu)成了左手電感，結(jié)合貼片本身與金屬地之間的右手電容，從而構(gòu)成了π 型復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)。

圖2 天線的等效電路模型

將天線單元進(jìn)行周期性仿真，將得到其S參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[17]繪制色散圖:

色散圖如圖3 所示，橫軸為色散值β，當(dāng)色散值趨于零時(shí)，則為零階諧振(ZOR)，從圖中可以看出，零階諧振點(diǎn)為2.4 GHz。其中，零階諧振點(diǎn)為:

圖3 CRLH-TL 單元色散圖

以串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納表示的特性阻抗由下式給出:

1.2 天線參數(shù)分析

利用HFSS 軟件仿真了天線在二極管開關(guān)狀態(tài)下的回波損耗。串聯(lián)諧振頻率fse與左手電容CL和右手電感LR有關(guān)，并聯(lián)諧振頻率fsh與右手電容CR和左手電感LL有關(guān)。左手電容受到雙螺旋間隙寬度的影響，左手電感受到叉指長(zhǎng)度的影響。因此，本文選取雙螺旋間隙寬度g2、W2和g4作為主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了保證參數(shù)分析的合理性，本文采用控制變量法。g2、W2和g4的初始值分別為0.6 mm、1.4 mm 和0.9 mm。在其他參數(shù)不變的情況下，依次增大參數(shù)。

如圖4 所示，當(dāng)二極管導(dǎo)通和斷開時(shí)，g2分別增大?？梢钥闯?，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，隨著g2的增大，諧振頻率點(diǎn)有明顯的左移。當(dāng)二極管斷開時(shí)，第三個(gè)諧振頻率點(diǎn)有較大幅度的左移。當(dāng)g2增大時(shí)，此時(shí)左手電容增大，串聯(lián)諧振頻率減小。

圖4 不同g2 參數(shù)天線的回波損耗

然后，在其他參數(shù)不變的情況下，改變W2，如圖5 所示。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，隨著W2的增大，兩個(gè)頻點(diǎn)幾乎沒有變化。當(dāng)二極管斷開時(shí)，3.48 GHz 頻點(diǎn)左移，4.04 GHz 頻點(diǎn)右移，這是因?yàn)閃2可以同時(shí)控制左手電容和右手電感，也再次驗(yàn)證了該天線同時(shí)具有左手特性和右手特性。

圖5 不同W2 參數(shù)天線的回波損耗

最后，為探討PIN 二極管所在位置對(duì)結(jié)果的影響，本文再對(duì)雙螺旋結(jié)構(gòu)和上部的金屬貼片之間的間距g4進(jìn)行討論，如圖6 所示。在二極管導(dǎo)通時(shí)，低頻點(diǎn)沒有明顯的移動(dòng)，高頻點(diǎn)有明顯的左移，這是因?yàn)橛沂蛛姼械脑龃?。在二極管斷開時(shí)，第二個(gè)頻點(diǎn)即3.48 GHz 有明顯的右移，這是因?yàn)樽笫蛛娙莸脑龃蟆?/p>

圖6 不同g4 參數(shù)天線的回波損耗

如上的參數(shù)掃描，利用HFSS 仿真軟件對(duì)天線的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終天線的具體尺寸如表1所示。采用這樣的尺寸，天線的性能達(dá)到最好。

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸表 單位:mm

2 天線的結(jié)構(gòu)與分析

2.1 天線實(shí)物測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的WLAN 頻段頻率可重構(gòu)復(fù)合左右手傳輸線天線的尺寸為0.129λ0×0.119λ0×0.013λ0?；宀捎孟鄬?duì)介電常數(shù)為4.4 的FR4 介質(zhì)進(jìn)行加工和測(cè)試。天線實(shí)物及測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。分別測(cè)試當(dāng)二極管開或關(guān)時(shí)回波損耗結(jié)果，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，其中測(cè)量結(jié)果如圖8 所示。實(shí)測(cè)和仿真的結(jié)果沒有百分之百重合，這是因?yàn)樵趯?shí)物加工時(shí)天線尺寸有微小的誤差，且在測(cè)試時(shí)SMA 接口有部分的電磁波泄漏。但總體看來無論是二極管導(dǎo)通時(shí)還是斷開時(shí)，這兩條回波損耗曲線圖是基本重合的，再次驗(yàn)證了天線的準(zhǔn)確性。

圖7 天線實(shí)物及測(cè)試環(huán)境

圖8 天線仿真和實(shí)測(cè)的回波損耗

2.2 天線的方向圖

圖9 描繪了該天線當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)在2.35 GHz、4.05 GHz 頻點(diǎn)，當(dāng)二極管斷開時(shí)在2.39 GHz、3.48 GHz、4.04 GHz 和5.81 GHz 頻點(diǎn)的三維輻射圖。XOZ平面為E平面，YOZ平面為H平面。E面和H面都具有幾乎全向的輻射。被測(cè)圖形的波紋可歸因于饋電連接器的轉(zhuǎn)換頭有一定的電磁波泄漏，且由于實(shí)測(cè)設(shè)備限制，方向圖的掃描分辨率為7.5°，與仿真時(shí)設(shè)置的1°有所差異，但總體的方向圖是重合的。且交叉極化增益和主極化增益相差較多，因此交叉極化對(duì)天線的干擾可以幾乎不計(jì)。

圖9 天線仿真和實(shí)測(cè)的方向圖對(duì)比

表2 是本文設(shè)計(jì)的緊湊型復(fù)合左右手傳輸線天線關(guān)鍵參數(shù)與文獻(xiàn)[18－20]的對(duì)比表。表中調(diào)諧比為fmax/fmin，天線的工作頻段都為1 GHz～8 GHz，所有設(shè)計(jì)的天線都是基于復(fù)合左右手傳輸線。

由表2 可見，本文所設(shè)計(jì)的天線在尺寸上具有優(yōu)勢(shì)。

表2 本文與近幾年論文對(duì)比

3 結(jié)論

該天線是一種緊湊型CRLH 傳輸線的頻率可重構(gòu)天線，由π 型非諧振CRLH 傳輸線單元加載。利用基于CRLH 傳輸線理論的色散圖分析了零階諧振特征。通過控制PIN 二極管開關(guān)，天線可以在雙波段和四波段之間切換。測(cè)量結(jié)果回波損耗小于－10 dB 的頻點(diǎn)，分別為2.35 GHz、4.05 GHz、2.39 GHz、3.48 GHz、4.04 GHz 和5.81 GHz。所提出的緊湊型天線可應(yīng)用于集成緊湊型無線通信系統(tǒng)中。