螺旋諧振器構成的新穎左手移相單元設計

逯 科,王光明,徐 彤,徐海洋

（1.空軍工程大學導彈學院防空導彈微波應用實驗室,陜西三原713800;2.空軍工程大學導彈學院制導雷達教研室,陜西三原 713800）

螺旋諧振器構成的新穎左手移相單元設計

逯 科1,王光明1,徐 彤2,徐海洋1

（1.空軍工程大學導彈學院防空導彈微波應用實驗室,陜西三原713800;2.空軍工程大學導彈學院制導雷達教研室,陜西三原 713800）

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

螺旋諧振器;左手移相單元;低剖面單極子

1 引 言

左手材料的理論設想從1999年被實驗驗證并實現以來,在近10年的時間里,在人工電磁材料、光學和微波等領域取得了豐碩成果[1]。作為左手材料研究的重要分支,微波領域的研究集中于將左手單元的奇異電磁特性應用于微波器件,實現性能改進,比如利用CSRR（Complementary Split Rings Resonator）結構實現高性能微波電路[2],應用于微帶天線特性改進[3]。雙螺旋諧振器是近年來提出的一種新型左手結構,學術界對其基本特性已有初步研究,該結構的應用研究也已展開[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,并且在特定頻段會表現出正相移、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、環天線和折合振子天線的物理尺寸,實現低剖面結構[6,7]。作為研究思路的自然延伸,利用由螺旋諧振器構成的新型左手單元的奇異相位特性實現單極子或折合振子天線低剖面特性改進也引起了極大的關注,目前已有研究人員利用雙螺旋諧振單元實現了高度只有1/9波長的折合振子天線[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,這些單元是實現低剖面單極子的關鍵。利用全波仿真手段對3種單元的電磁特性進行了比較研究,并對其實現低剖面特性的規律進行了分析評估。

2 基于左手單元實現單極子低剖面技術簡介

傳統單極子天線長度是中心頻率下波長的四分之一,利用終端開路條件,在金屬導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,傳統單極子天線有效帶寬較窄,并且在較低頻率的應用中存在尺寸較大的問題。目前,利用左手單元改進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現較大的相移,從而可以改變導線上的電流分布,使得單極子彎折后平行導線上電流同向,保持輻射特性不改變,從而實現低剖面特性[6-8]。文獻[6]利用集總電容、電感元件實現了左手移相網絡,其天線及左手單元具體結構如圖1所示。

圖1 文獻[6]中天線結構及左手單元結構Fig.1 The structure of antenna and the left-handed cell in reference 6

文獻[7]利用金屬帶線和集總電容元件構建了左手移相網絡,實現了低剖面的環天線,該天線結構和左手單元結構如圖2所示。

圖2 文獻[7]中天線結構及左手單元結構Fig.2The structure of antenna and the left-handed cell in reference 7

文獻[8]設計了完全用分布參數元件實現的左手單元,并實現了低剖面天線結構,其天線結構和左手單元結構如圖3所示。該天線利用螺旋諧振結構實現了左手移相單元,該結構單元是分布參數元件,并且整個單元的尺寸較小,適用于較低頻率的微波工程應用。

圖3 文獻[8]中天線結構及左手單元結構Fig.3The structure of antenna and the left-handed cell in reference 8

通過對上述技術的總結分析可以看出,左手移相單元是實現天線低剖面的關鍵。文獻[6,7]都在左手單元中使用了集總參數元件,使得這些單元很難應用于高頻場合。而文獻[8]完全使用的是分布參數元件,但僅僅探討一種結構,相關研究并沒有全面展開。

3 基于螺旋諧振器左手單元設計

除文獻[8]采用的單元結構外,利用螺旋諧振單元還可以構建其它形式的左手單元,它們的電磁特性存在共性的地方,也因為具體幾何結構的差異導致某些特性的不同,深入研究這些單元的電磁特性對于設計更加出色的左手單元和天線結構具有非常重要的意義。本文對基于螺旋諧振器的左手單元進行了設計和分析。上述單元的結構具體如圖4所示,圖中dx表示單元長度,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構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。考慮到仿真建立端口的需要,在所有單元左右兩側附加了兩段長3 mm的微帶線,附加微帶線長度不計入dx。仿真中,各單元均采用兩圈螺旋結構,采用介電常數為2.2、厚度為1.5 mm、正切損耗為0.001的介質基板,并考慮單元寬度和50 Ψ微帶線寬度的一致性,經過仿真優化,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

根據已有的研究工作,選擇低剖面單極子的移相單元,必須對其插損特性和相位特性做出綜合權衡。插損特性和相位特性是移相單元研究關注的重點。因此,利用全波電磁仿真工具HFSS對上述3個單元進行仿真,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

從圖中結果來看,在dx、dy、w、dis等幾何參數保持一致的前提下,對稱直連單元和非對稱非直連單元在0.1～4 GHz頻段內存在插損特性較好的頻點,而對稱非直連單元在0.1～4GHz的整個頻段內插損特性都比較差,均小于-7 dB。通過仿真實驗可知,對稱非直連單元的插損特性可以通過幾何參數優化對插損特性進行一定程度的改進。從圖5可知,對稱直連單元的插入損耗特性和非對稱非直連單元的插入損耗特性并不一致,對稱直連單元在1～2.5 GHz頻段內都具有良好的插入損耗特性,表現出低通特性。定性地分析表明,由于該結構在兩個螺旋結構間有直接的金屬連接,在低頻段也可以保證電流通過;而非直連單元都是通過電磁耦合效應實現電流傳輸,在低頻段傳輸特性必然會降低。非對稱非直連單元則在約3.5 GHz頻點處諧振,插損特性最優。

進一步考慮3個單元的相位特性。從圖6所示的仿真結果來看,在1～3.5 GHz頻帶內,對稱非直連單元與非對稱非直連單元的相位特性非常相似。對兩個單元部分低頻頻點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。同時必須注意到,對稱非直連單元和非對稱非直連單元的相位在1～2.8 GHz的頻帶范圍內為正,這是兩個單元存在左手特性的直接證明。相比之下,對稱直連單元則僅在0.1～0.3 GHz范圍內具有正相位值,但值均比較小。文獻[4,5]對對稱直連結構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對左手效應的抵消,可以認為該結構也是左手單元。非常明顯的是,對稱非直連單元和非對稱非直連單元的左手效應要遠強于對稱直連單元。在3.5 GHz之后的頻點,各個單元的相位均出現了較大幅度的變化,可以定性認為是高頻寄生參數影響加劇所致。由于規律性較差,在工程實踐中,這部分特性不做考慮。

綜上所述,根據各單元的特點,可在較低頻率的情形下,考慮利用對稱直連單元實現相移網絡。在較高頻率應用場合,可以考慮使用非對稱非直連單元,除了良好的插損特性,該結構還可以實現正相移和零相移,這是傳統右手傳輸線不可能實現的。

5 結 論

目前,利用左手單元奇異相位特性的單元是實現振子天線低剖面的關鍵元件。本文提出了一種新穎的由螺旋諧振器構成的非對稱非直連左手移相單元。該單元完全由分布元件實現,克服了一些傳統的、由集總元件構成的左手移相單元的缺陷。利用全波電磁仿真工具,構建了大致相同的對比條件,對非對稱非直連單元和已經提出的對稱直連單元、對稱非直連單元的插損特性和相位特性進行了比較研究。通過對各單元插損特性和相位特性的綜合考慮可知,非對稱非直連單元表現出較好的插損特性和明顯的左手效應,是適合應用于低剖面單極子天線的新型左手移相單元。該單元可以進一步改善振子天線的低剖面特性。在今后的工作中,需要進一步研究各單元電磁耦合的物理機理,深入探討造成各單元特性差異的內在因素,建立完善的理論分析模型。

[1] Pend ry J B,Holden A J,RobbinsD J,et al.Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1999,47（11）:2075-2084.

[2] Bonache J,Gil I,Garc′la-Garc′la J,et al.Comp lementary split rings resonators（CSRRs）:Towards the miniaturization of microwave device design[J].Journal of Computational Electronics,2006,5（2-3）:193-197.

[3] Merih Palandoken,Andre Grede,Heino Henke.Broadband Microstrip Antenna with Left-Handed Metamaterials[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2009,57（2）:331-338.

[4] Yunchuan Guo,George Goussetis,Alexandros P Feresidis,et al.Efficient Modeling of Novel Unip lanar Left-Handed Metamaterials[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53（4）:1462-1468.

[5] Titos Kokkinos,Alexandros P Feresidis,John C Vardaxoglou.Equivalent Circuit of Double Spiral ResonatorsSupporting BackwardWaves[C]//Proceedings of Antennas and Propagation Conference.Loughborough:IEEE,2007:289-292.

[6] Marco A Antoniades,George V Eleftheriades.A Folded-Monopole Model for Electrically Small NRI-TL Metamaterial Antennas[J].IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters,2008（7）:425-428.

[7] Fahad Qureshi,Marco A Antoniades,George V Eleftheriades.A Compact and Low-Profile Metamaterial Ring Antenna With Vertical Polarization[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2005（4）:333-336.

[8] Titos Kokkinos,Alexandros P Feresidis.Low-Profile Folded Monopoles With Embedded Planar Metamaterial Phase-Shifting Lines[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2009,57（10）:2997-3008.

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

國家自然科學基金資助項目（60971118）

逯 科（1983-）,男,山西朔州人,分別于2006年和2009年獲空軍工程大學學士學位和碩士學位,現為空軍工程大學博士研究生,主要研究方向為新型左手材料設計及其應用;

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年獲空軍導彈學院學士及碩士學位,于1994年獲電子科技大學博士學位,現為空軍工程大學教授、博士生導師,主要研究方向為天線與毫米波電路、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年獲空軍工程大學學士學位和碩士學位,現為空軍工程大學講師,主要研究方向為高速信號處理;

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年獲空軍工程大學士學位和碩士學位,現為空軍工程大學博士研究生,主要研究方向為天線、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.