基于左手材料的天線小型化技術研究

魏良桂

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

基于左手材料的天線小型化技術研究

魏良桂

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

分析了左手材料實現小型化天線的理論依據，分析、設計了一種基于蘑菇型復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行了優化，給出了利用復合左右手傳輸線結構的后向波效應，該天線不僅結構簡單而且天線尺寸在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；蘑菇型復合左右手傳輸線；后向波效應

0 引 言

左手介質是20世紀90年代末期出現的一種新型結構的人工電磁媒質，它同時具有負值的介電常數和負值的磁導率，導致在該媒質中傳播的電磁波其電場E、磁場H以及波矢量k三者構成左手系，而不遵循常規媒質的右手法則，故而得名。自美國加州大學圣迭戈分校的Smith于2000年首次人工構造出這種自然界中并不存在的媒質以來，由于它所具有一系列超常規的電磁特性(包括左手特性、負折射特性、后向波特性等)而備受關注。國內外的研究成果表明，上述電磁特性具有較廣泛的應用前景，本文將著重探討后向波特性及其在微帶天線小型設計中的應用。

Engheta的理論研究結果表明，將左手介質的后向波效應和傳統介質的前向波效應相結合可以設計出小于半波長的諧振腔，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與傳統介質的本構關系參數的比值，近期的實驗結果證明了該理論的正確性和可行性。在這個應用實例中，左手介質相當于一個相位補償器，電磁波在傳統介質中傳播時產生的相位差可以通過左手介質的后向波效應加以補償。左手介質作為相位補償器在微帶天線小型化方面也具有巨大的應用潛力，應為根據羅遠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相位補償效應突破傳統微帶天線半波長電尺寸的束縛，使得小型化設計成為可能[1]。

Tretyakov等人也利用左手材料的傳輸線模型對其實現天線小型化的理論進行了研究，通過數學公式推導得出：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，利用左手材料實現天線的小型化是完全可行的[2]。

1 復合左右手傳輸線簡介

左手材料發展迅猛，在微波、通訊和天線等研究領域引起人們廣泛關注。其中一類被稱為復合左右手傳輸線(CRLH-TL)，它是在普通傳輸線上加載并聯電感和串聯電容構成的，具有后向波傳輸和零傳播常數等獨特性質。利用這些特性，可以設計結構緊湊的新型平面天線。如利用蘑菇狀結構單元可以實現CRLH-TL，它能夠發生負、零及正階模式的諧振。

蘑菇型復合左右手傳輸線結構如圖1(a)所示，圖1(b)為其等效電路。該結構由正方形貼片及接地通孔有序排列組成。蘑菇狀結構的串聯電容對應貼片之間的縫隙電容，并聯電感對應接地通孔產生的電感。串聯電感對應于微帶貼片自身的分布電感，并聯電容對應于貼片和接地板之間的分布電容。

圖1 蘑菇型復合左右手傳輸線結構

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

(1)

將N個基本單元串聯起來可以構造長度為L=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，由于串聯諧振頻率ωse和并聯諧振頻率ωsh并不相等，所以在CRLH-TL的左手區域和右手區域之間存在禁帶。當CRLH-TL發生諧振時，滿足：

(2)

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

2 天線的仿真

應用CRLH結構設計小型化天線，設計的工作頻率是1.6GHz，可以用于設計船舶救險報警中的1.6GHzEPIRB天線，設計的思路是在微帶天線中部分加載蘑菇型CRLH-TL結構，達到減少微帶天線尺寸的目的，結構如圖3所示。

圖3 仿真結構圖

天線由兩單元的蘑菇型結構組成，采用相對介電常數為2.2，厚度h=10.2mm，長L0=80mm、寬W0=80mm的RogersRT/duroid5880介質基板，介質基板上面印刷天線，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的作用是產生左手電容，即串聯電容。2個短路過孔的作用是用來產生左手電感，即并聯電感。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生的平板電容。

采用HFSS對天線進行仿真，利用優化所得最佳尺寸得到反射系數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處的反射系數是-25.171 9dB，天線的尺寸與工作波長的關系是(λ/5.51)×(λ/5.51)×(λ/18.4)，即34mm×34mm×10.2mm,可以看出天線相對于傳統的微帶天線有了大幅度的縮減(在同樣的條件下，利用經典的微帶天線方法計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，相對帶寬為1.9%。可以得出天線在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 結束語

本文在研究左手材料實現小型化理論依據的同時，基于1×2的蘑菇型復合左右手傳輸線結構設計了具有后向波效應的1.6GHz微帶天線基板，對微帶天線的縱向波進行相位補償，探討利用后向波效應減小微帶天線縱向尺寸的可行性和實用性。通過仿真優化，獲得在1.6GHz處的S11達到-25.17dB，天線增益為1.86dB。仿真結果驗證了利用左手材料的后向波效應可以實現微帶天線小型化，且將其縱向尺寸減小了52.7%，突破了傳統微帶天線的半波長尺寸設計要求的限制。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。研究結果表明，微帶天線的這 項小型化技術具有較高的應用前景和推廣價值。

[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].陜西師范大學學報,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用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,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