加載超材料單元的小型化雙頻帶縫隙天線

田迎霜，韓麗萍

（山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006）

0 引言

雙頻天線可以減少天線數量，提高空間利用率，并且盡可能地節約成本，在無線通信、無線射頻識別、無線傳感器網絡以及多輸入多輸出系統等方面應用廣泛。與傳統的天線（如八木天線）相比，微帶天線具有重量輕、體積小、易集成、結構簡單等優點，在雙頻天線設計中有較大的靈活性。微帶天線通常采用刻蝕縫隙［1-3］、堆疊貼片［4-8］、激勵多模［9-10］等方法實現雙頻。文獻［1］中矩形貼片產生2.4 GHz諧振，貼片上刻蝕的對稱U形縫隙產生3.5 GHz諧振；文獻［3］通過在地板刻蝕非對稱T形縫隙，其長臂激勵2.4 GHz頻段，短臂激勵5.8 GHz頻段；文獻［4］利用上層矩形貼片實現3.4 GHz～3.6 GHz頻段，下層E形貼片實現2.3 GHz～3 GHz頻段；文獻［8］中半徑較小的上層圓形貼片產生2.08 GHz諧振，半徑較大的下層圓形貼片產生1.575 GHz諧振；文獻［9-10］通過激勵輻 射 貼 片 的 TM01模 和 TM03（TM02）模 實 現 雙頻。上述天線往往存在尺寸較大的問題，因此研究小型化雙頻天線具有廣泛的應用前景。

傳統的微帶天線小型化方法有刻蝕縫隙、加載短路針、采用高介電常數基板等，這些方法存在帶寬窄或增益低的問題。超材料［11］是一種具有特殊性質的人造材料，通過設計幾何結構可以呈現出天然材料所不具備的超常物理性質，如負折射特性、逆多普勒效應、逆切倫科夫輻射效應等，將超材料應用在微帶天線設計中能夠減小尺寸，改善帶寬、增益等性能。近年來，國內外學者提出幾種基于超材料的小型化雙頻帶天線。文獻［12］提出雙頻不等長開口諧振環，在介質基板的兩側對稱放置雙頻開口諧振環陣列，實現2.4 GHz和3.5 GHz頻段；文獻［13］設計在開口方環外側加載H形條帶的雙頻帶左手材料單元，實現3.54 GHz諧振和5.75 GHz諧振。文獻［14］利用蘑菇結構組成的復合左右手傳輸線激勵負一階和一階模式實現雙頻；文獻［15］由內部開口諧振環激勵零階諧振3.17 GHz，加載枝節的外部開口諧振環激勵一階諧振5.39 GHz；文獻［16］利用T形單極子產生3.54 GHz頻段，在饋線兩側對稱加載兩個左手材料單元產生2.4 GHz頻段；文獻［17］通過在貼片加載2×2的蘑菇結構，激勵蘑菇形超材料傳輸線的零階諧振（2.78 GHz）和貼片的TM01模（5.18 GHz）實現雙頻。上述天線存在帶寬窄或尺寸大的問題。本文在天線中加載同向開口諧振環，通過內外環諧振頻率的靠近擴展了天線帶寬。

本文設計了一個加載超材料單元的小型化雙頻帶縫隙天線。采用微帶饋電方式，饋線激勵地板上的圓形縫隙產生高頻，超材料單元產生低頻，同時實現了天線的小型化。天線具有結構簡單、尺寸小等優勢，應用于無線局域網（WLAN）頻段。

1 小型化雙頻帶縫隙天線

1.1 天線結構

天線結構如圖1所示，包括三層，上層是刻蝕圓形縫隙的接地板，中間層是介質基板，下層是叉形微帶饋線和同向開口諧振環組成的超材料單元。兩個同向開口環對稱放置，內環采用曲流技術，開口處連接兩條平行條帶。天線工作在WLAN的2.4 GHz和5 GHz頻段，利用電磁仿真軟件HFSS V13.0仿真分析。選用相對介電常數為4.4、損耗角正切為0.02、厚度為0.8 mm的FR4介質基板。優化后參數為：l=w=30 mm，r=10.6 mm，lf=5.3 mm，wf=1.8 mm，ls=2.5 mm，ws=3 mm，lt=5.4 mm，wt=8.4 mm，m=9.4 mm，n=8 mm，w1=0.5 mm，s1=1.4 mm，s2=0.9 mm，s3=0.2 mm，s4=0.5 mm，g1=2 mm，g2=0.4 mm，g3=1.6 mm，n1=2.6 mm，n2=1.7 mm，n3=3.8 mm。

圖1 天線結構示意圖Fig.1 Configuration of antenna structure

1.2 雙頻帶實現

本文首先設計了一個工作在5 GHz頻段的圓形縫隙天線，然后通過在饋線上方放置超材料單元實現2.4 GHz頻段的諧振。圓形縫隙的直徑約為一個導波波長［18］，諧振頻率為：

其中δ為修正因子，用于修正縫隙上、下兩側不同介質層對天線造成的影響，數值與介質基板參數有關。圖2給出了圓形縫隙天線的反射系數，從圖中可以看出，仿真的-10 dB阻抗帶寬為4.69 GHz～5.91 GHz，能夠覆蓋WLAN的5 GHz頻段。

圖2 圓形縫隙天線的反射系數Fig.2 S11of circular slot antenna

圖3給出了天線產生低頻的演化過程。Ant1為加載同向開口諧振環的縫隙天線，Ant2對Ant1的內環采用曲流技術，Ant3為本文提出的天線。圖4給出了圖3中天線仿真的反射系數曲線，從圖中可以看出，同向開口環產生了兩個諧振點，外環產生的諧振點用f1表示，內環產生的諧振點用f1′表示。Ant1的f1和f1′間距較大，低頻段的-10 dB阻抗帶寬為2.53 GHz～2.58 GHz，不 能 覆 蓋 WLAN 的 2.4 GHz～2.48 GHz頻段。Ant2的內環采用曲流技術，增大了電流路徑，f1減小，低頻段阻抗帶寬為2.47 GHz～2.51 GHz，僅能覆蓋2.4 GHz頻段的部分范圍。Ant3在內環開口處連接兩條平行條帶，f1′顯著減小，與f1組合展寬了低頻段帶寬，頻率范圍為2.38 GHz～2.51 GHz，完全覆蓋了WLAN的2.4 GHz頻段。

圖3 天線演化過程Fig.3 Evolution process of antenna

圖4 圖3中天線的反射系數Fig.4 S11of antennas in Fig.3

為了驗證所提出的同向開口環具有超材料特性，在HFSS電磁仿真軟件中建立仿真模型，單元結構仿真模型如圖5所示，垂直于x軸的兩個面設置為端口1和端口2，垂直于y軸的兩個面設置為Perfect E，垂直于z軸的兩個面設置為Perfect H。仿真得到的S參數如圖6所示，利用參數提取法得到結構的有效介電常數和磁導率，如圖7所示。從圖7中可以看出該結構在2.4 GHz頻段體現出負磁導率特性。

圖5 超材料單元仿真模型Fig.5 Simulation model of metamaterial unit cell

圖6 超材料單元的S參數Fig.6 S-parameters of metamaterial unit cell

圖7 超材料單元的有效介電常數和磁導率Fig.7 Effective permittivity and permeability of metamaterial unit cell

2 關鍵參數分析

通過對天線敏感性分析，發現饋線上矩形槽的長度ls、內外環的間距s2、外環開口g1、饋線總長度l1（=lf+lt）對天線性能影響較大。

圖8給出了饋線總長度l1對天線S11的影響。由圖可知，l1主要影響高頻段，對低頻段影響較小。隨著l1的減小，高頻段右移，帶寬展寬，阻抗匹配明顯得到改善；低頻段諧振頻率幾乎不變。當l1=10.7 mm時，高頻段為4.95 GHz～6.35 GHz，滿足WLAN的5 GHz頻段要求。

圖8 不同l1時的反射系數Fig.8 S11for different l1

圖9為饋線上矩形槽的長度ls變化時的天線反射系數。由圖可知，ls對低頻段有較大影響，高頻段幾乎不受影響。隨著ls的增大，f1略微向高頻偏移，f1′明顯增加。當ls=2.5 mm時，低頻段的-10 dB阻抗帶寬為2.3 GHz～2.51 GHz，能夠覆蓋WLAN的2.4 GHz頻段。

圖9 不同ls時的反射系數Fig.9 S11for different ls

圖10給出了內外環之間的距離s2對天線S11的影響。由圖可知，s2的變化主要影響低頻段的f1′。隨著s2的減小，f1幾乎不變，f1′明顯向低頻偏移。當s2=0.9 mm時，-10 dB阻抗帶寬滿足WLAN的2.4 GHz頻段范圍。

圖10 不同s2時的反射系數Fig.10 S11for different s2

圖11為外環開口大小g1變化時對天線反射系數的影響。由圖可知，g1主要影響低頻段。隨著g1的減小，f1略微向低頻偏移，f1′明顯向低頻偏移。當g1=2 mm時，低頻段能夠覆蓋WLAN的2.4 GHz頻段范圍。

圖11 不同g1時的反射系數Fig.11 S11for different g1

3 結果與討論

天線印制在相對介電常數為4.4的FR4介質基板上，圖12為天線的實物圖，采用Agilent公司N5221A矢量網絡分析儀測量天線的反射系數，Lab-Volt公司8092型自動天線測量系統測量天線的方向圖。

圖12 天線實物圖Fig.12 Fabricated prototypes of antenna

圖13為天線仿真和測試得到的反射系數。從圖中可以看出，實測結果與仿真結果基本一致，滿足了WLAN的應用。仿真的-10 dB阻抗帶寬分別為 5.3%（2.38 GHz～2.51 GHz）和24.8%（4.95 GHz～6.35 GHz）；測試的阻抗帶寬 分 別 為 4.07%（2.41 GHz～2.51 GHz）和20.64%（4.78 GHz～5.88 GHz）。測試結果和仿真結果的誤差源于天線加工時的偏差。

圖13 天線的反射系數Fig.13 S11of antenna

圖14給出了天線在2.4 GHz和5.45 GHz的歸一化輻射方向圖。從圖中可以看出，仿真與測試的結果基本一致，在E面是8字形，H面呈全向輻射。

圖14 天線輻射方向圖Fig.14 Radiation patterns of antenna

最后，表1給出了本文和文獻中雙頻微帶天線的性能比較。由表可知，除文獻［12，16］的天線外，本文天線尺寸最小。和較小尺寸的天線［12，16］相比，本文在兩個頻段的帶寬和增益均有顯著提高。和尺寸接近的天線［15］相比，本文在兩個頻段的帶寬得到了拓展。

表1 雙頻微帶天線的性能Table 1 Performance of miniaturized dual-band microstrip antennas

4 結論

本文設計了一種加載超材料單元的小型化雙頻帶縫隙天線。微帶饋線激勵圓形縫隙實現高頻段，開口諧振環實現低頻段，實現雙頻帶的同時天線得以小型化。測試結果表明：天線-10 dB阻抗帶寬分別達到4.07%（2.41 GHz～2.51 GHz）和 20.64%（4.78 GHz～5.88 GHz），尺 寸 為0.24λ0×0.24λ0。該天線尺寸較小，結構簡單，易于加工且具有良好的輻射性能，可以用于WLAN頻段。