基于復合左右手傳輸線的小型化頻率可重構天線

楊 虹何 莉張紅升

(重慶郵電大學光電工程學院，重慶 400065)

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

為了實現緊湊型天線，文獻[9]中報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[10]中，作者提出了一種非對稱共面波導(Asymmetric Coplanar Waveguide，ACPW)饋電的ZOR 天線，并將帶寬擴展到109.1%。終端短路CRLH-TL 的ZOR 和一階正向諧振(First-Positive-Order Resonance，FPOR)分別是半個和一個波長共振。文獻[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，覆蓋了UWB 通信的上工作頻帶。

基于CRLH 的頻率可重構天線不僅可以實現小型化，而且可以在小型化的基礎上實現變頻功能。目前，頻率可重構天線中使用了各種開關，如變容二極管[12]、PIN 二極管[13]和微電子機械系統(MEMS)[14]。

本文提出了一種新穎的頻率可重構小型化CRLH-TL 天線。該天線由雙螺旋結構、叉指結構、通孔結構和PIN 二極管構成，在實現復合左右手傳輸線的基礎上，還可以實現頻率的轉換。

1 天線設計與分析

本文設計的頻率可重構CRLH-TL 天線的幾何結構如圖1 所示。復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由開口諧振環和金屬棒組成，非諧振型CRLH-TL 由折線結構、叉指結構和過孔等方式實現，非諧振CRLH-TL 可更好地實現平面射頻器件的集成化[15]。

圖1 CRLH-TL 天線結構示意圖

本文設計的天線是由雙螺旋結構、叉指結構、通孔結構和PIN 二極管組成。天線的厚度為1.6 mm、相對介電常數為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 理論與天線結構

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。串聯電容器CL和并聯電感LL代表左手單元，而串聯電感LR和并聯電容器CR代表右手單元。CRLH-TL 單元的色散關系β(ω)可表示如下[16]:

β(ω)是傳播常數，p是單元的物理長度。如果N個單元串聯級聯，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，N為常數，n和l分別為諧振階數和諧振器的總長度。當n＝0 時，ZOR 會被激發。

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:SMP 1322)來控制頻率的變化。圖2(a)顯示了二極管導通狀態下的天線等效電路模型，圖2(b)顯示了二極管斷開狀態下的天線等效電路模型。雙螺旋結構和叉指結構構成了右手電感和左手電容，雙螺旋結構中心的兩個通孔接地構成了左手電感，結合貼片本身與金屬地之間的右手電容，從而構成了π 型復合左右手傳輸線結構。

圖2 天線的等效電路模型

將天線單元進行周期性仿真，將得到其S參數，根據文獻[17]繪制色散圖:

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

圖3 CRLH-TL 單元色散圖

以串聯阻抗和并聯導納表示的特性阻抗由下式給出:

1.2 天線參數分析

利用HFSS 軟件仿真了天線在二極管開關狀態下的回波損耗。串聯諧振頻率fse與左手電容CL和右手電感LR有關，并聯諧振頻率fsh與右手電容CR和左手電感LL有關。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作為主要結構參數。為了保證參數分析的合理性，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。在其他參數不變的情況下，依次增大參數。

如圖4 所示，當二極管導通和斷開時，g2分別增大。可以看出，當二極管導通時，隨著g2的增大，諧振頻率點有明顯的左移。當二極管斷開時，第三個諧振頻率點有較大幅度的左移。當g2增大時，此時左手電容增大，串聯諧振頻率減小。

圖4 不同g2 參數天線的回波損耗

然后，在其他參數不變的情況下，改變W2，如圖5 所示。當二極管導通時，隨著W2的增大，兩個頻點幾乎沒有變化。當二極管斷開時，3.48 GHz 頻點左移，4.04 GHz 頻點右移，這是因為W2可以同時控制左手電容和右手電感，也再次驗證了該天線同時具有左手特性和右手特性。

圖5 不同W2 參數天線的回波損耗

最后，為探討PIN 二極管所在位置對結果的影響，本文再對雙螺旋結構和上部的金屬貼片之間的間距g4進行討論，如圖6 所示。在二極管導通時，低頻點沒有明顯的移動，高頻點有明顯的左移，這是因為右手電感的增大。在二極管斷開時，第二個頻點即3.48 GHz 有明顯的右移，這是因為左手電容的增大。

圖6 不同g4 參數天線的回波損耗

如上的參數掃描，利用HFSS 仿真軟件對天線的各個參數進行優化，最終天線的具體尺寸如表1所示。采用這樣的尺寸，天線的性能達到最好。

表1 天線結構尺寸表 單位:mm

2 天線的結構與分析

2.1 天線實物測試結果

本文設計的WLAN 頻段頻率可重構復合左右手傳輸線天線的尺寸為0.129λ0×0.119λ0×0.013λ0。基板采用相對介電常數為4.4 的FR4 介質進行加工和測試。天線實物及測試結果如圖7 所示。分別測試當二極管開或關時回波損耗結果，用矢量網絡分析儀進行測試，其中測量結果如圖8 所示。實測和仿真的結果沒有百分之百重合，這是因為在實物加工時天線尺寸有微小的誤差，且在測試時SMA 接口有部分的電磁波泄漏。但總體看來無論是二極管導通時還是斷開時，這兩條回波損耗曲線圖是基本重合的，再次驗證了天線的準確性。

圖7 天線實物及測試環境

圖8 天線仿真和實測的回波損耗

2.2 天線的方向圖

圖9 描繪了該天線當二極管導通時在2.35 GHz、4.05 GHz 頻點，當二極管斷開時在2.39 GHz、3.48 GHz、4.04 GHz 和5.81 GHz 頻點的三維輻射圖。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。被測圖形的波紋可歸因于饋電連接器的轉換頭有一定的電磁波泄漏，且由于實測設備限制，方向圖的掃描分辨率為7.5°，與仿真時設置的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，因此交叉極化對天線的干擾可以幾乎不計。

圖9 天線仿真和實測的方向圖對比

表2 是本文設計的緊湊型復合左右手傳輸線天線關鍵參數與文獻[18－20]的對比表。表中調諧比為fmax/fmin，天線的工作頻段都為1 GHz～8 GHz，所有設計的天線都是基于復合左右手傳輸線。

由表2 可見，本文所設計的天線在尺寸上具有優勢。

表2 本文與近幾年論文對比

3 結論

該天線是一種緊湊型CRLH 傳輸線的頻率可重構天線，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，天線可以在雙波段和四波段之間切換。測量結果回波損耗小于－10 dB 的頻點，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用于集成緊湊型無線通信系統中。