李清棟,馮全源

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都 610031)

0 引言

隨著便攜無線通訊設(shè)備朝著小型化、多功能的方向發(fā)展,無線設(shè)備的有限空間限制了天線的尺寸和設(shè)備的功能,也對天線設(shè)計(jì)提出了更高要求。天線設(shè)計(jì)中的這些挑戰(zhàn)可以通過天線的小型化,寬帶化和天線性能參數(shù)可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)等方式來解決,可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)天線可以在有限的空間內(nèi)提供多重功能,如頻率、輻射特性等參數(shù)的可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)[1]。近些年來廣大科研人員對天線的小型化,寬帶化[2],可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)[3-4]進(jìn)行了廣泛的研究。

由于頻率可調(diào)節(jié)可達(dá)到頻譜有效利用的目的,很多學(xué)者在頻率可調(diào)節(jié)天線領(lǐng)域進(jìn)行了研究。學(xué)者們通過具有加載MEMS開關(guān)、可調(diào)電感、可調(diào)電容等手段實(shí)現(xiàn)了天線工作頻率可調(diào)節(jié)(重構(gòu)),但卻存在著天線尺寸過大、實(shí)現(xiàn)困難等缺點(diǎn)[5-7]。近年來,隨著超材料(Metamaterial)相關(guān)理論的進(jìn)一步研究,尤其是復(fù)合左右手傳輸線(CRLH TL)[8-9]理論的廣泛研究為天線設(shè)計(jì)注入了新的設(shè)計(jì)理念和活力[10-11]。韓國學(xué)者Jaehyurk Choi等人通過超材料結(jié)構(gòu)上加載不同類型傳輸線等方式實(shí)現(xiàn)了兩個頻率點(diǎn)處的工作頻率重構(gòu),但存在著重構(gòu)方式不便,無法實(shí)現(xiàn)工作頻率實(shí)時(shí)可調(diào)節(jié)等缺點(diǎn),局限性非常明顯[12]。為此,在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上[13-14]本文提出了一款基于復(fù)合左右手傳輸線的頻率可調(diào)節(jié)天線。

1 復(fù)合左右手傳輸線理論及其應(yīng)用

復(fù)合左右手傳輸線是這樣一類傳輸線,當(dāng)電磁波在該傳輸線中傳播時(shí),在某個頻率范圍內(nèi)其傳播特性呈現(xiàn)“左手特性”,即其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值,電場、磁場和波矢量遵從左手定則。復(fù)合左右手傳輸線擁有許多奇異的性質(zhì),比如支持后向波(群速度和相速度相反)、在某些頻率處支持無限波長等。圖1是復(fù)合左右手傳輸線在無損情況下的等效電路結(jié)構(gòu)單元。

圖1 復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)單元Fig.1 Unit-cell of CRLH TL

圖1 中,Lr、Cl、Ll、Cr分別為串聯(lián)的右手電感 、串聯(lián)的左手電容、并聯(lián)的左手電感和并聯(lián)的右手電容。

根據(jù)布洛赫-弗羅蓋定理,該傳輸線單元的色散曲線可以用下式來表示:

式中,d為復(fù)合左右手傳輸線單元結(jié)構(gòu)的長度。

通常情況下串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率并不一致,所以存在兩個非零諧振頻率處使得β=0,即在該頻率點(diǎn)處支持無限波長。

當(dāng)N個這樣的單元結(jié)構(gòu)串聯(lián)時(shí),諧振模式數(shù)n與β滿足如下關(guān)系:

在這里n可以為任意整數(shù),在n等于0時(shí),即傳輸線工作在零階諧振狀態(tài)下時(shí),這個N單元復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)支持無限波長且其諧振狀態(tài)是不依賴復(fù)合左右手傳輸線自身尺寸的,可以根據(jù)這個特性實(shí)現(xiàn)天線的小型化。當(dāng)傳輸線處于零階諧振狀態(tài)時(shí),整個傳輸線上的電流(電壓)的分布呈現(xiàn)一致的狀態(tài),這樣傳輸線結(jié)構(gòu)上的阻抗損耗比較小。由于傳輸線工作在零階諧振狀態(tài)下時(shí)其尺寸不依賴復(fù)合左右手傳輸線的自身尺寸,而是由等效電路的相關(guān)等效參數(shù)決定,因此可以通過調(diào)節(jié)等效參數(shù)來實(shí)現(xiàn)天線的工作頻率可調(diào)節(jié)。

2 天線結(jié)構(gòu)及分析

本設(shè)計(jì)采用的天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天線結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)Fig.2 Structure of antenna

基板采用Taconic RF-35(tm),相對介電常數(shù)εr=2.17,損耗角正切值tanδ=0.001 8,基板尺寸為15 mm×15 mm,厚度為0.8 mm。采用微帶線對天線進(jìn)行饋電,在天線的底部通過加載的變?nèi)荻O管的方式來實(shí)現(xiàn)天線工作頻率的實(shí)時(shí)可調(diào)節(jié)。

該天線的等效傳輸線模型如圖3所示。

圖3 等效CRLH TL單元示意圖Fig.3 Equivalent unit-cell of CRLH TL

圖3 中,C s?ΔC/(C s+ΔC)為底層金屬片與地之間的寄生電容以及加載的可變電容的等效電容,將其表示為C equ。

根據(jù)傳輸線相關(guān)理論,其諧振頻率可以近似表示為:

從公式可以看出諧振頻率將會隨著C equ的增大而減小,動態(tài)的改變變?nèi)荻O管的電容值就可以達(dá)到天線工作頻率連續(xù)可調(diào)的目的。

3 仿真結(jié)果及分析

在仿真的過程中,令變?nèi)荻O管的電容在0.315～4.900 pF之間變化,分別選取了7個電容值(即C1=0.261 pF,C2=0.381 pF,C3=0.465 pF,C4=0.533 p F,C5=0.727 pF,C6=1.768 pF,C7=5.473 pF)來考察其仿真結(jié)果,其S11參數(shù)如圖4所示。

圖4 天線的S11仿真結(jié)果Fig.4 Simulation Results of S11

從天線的S11參數(shù)仿真結(jié)果可以看出當(dāng)變?nèi)荻O管的電容從C1—C7之間變化時(shí)諧振頻率將會在2.723～1.986 GHz(S11＜-10 dB)之間的 737 MHz頻段內(nèi)連續(xù)變化,并且隨著電容值的增大諧振頻率呈下降趨勢,這與理論分析是相符的。當(dāng)變?nèi)荻O管的電容值持續(xù)增大時(shí),天線的諧振頻率將會變化甚微,符合反比例函數(shù)的性質(zhì)。表1列出了典型電容值處的詳細(xì)仿真結(jié)果。

表1 典型電容值處的詳細(xì)仿真結(jié)果Tab.1 Detail results of representative capacitance values

從表1可以看出天線的性能變化集中體現(xiàn)在電容從0.261～1.768 pF變化之間。圖5展示了天線工作在2.388 GHz和2.442 GHz處的 E面方向圖,從圖中可以看到在改變變?nèi)荻O管的過程中,天線的輻射方向圖只有輕微的連續(xù)變化,符合頻率可調(diào)節(jié)天線的要求。

圖6是天線諧振在2.388 GHz時(shí)的表面電流分布情況,從圖中可以看出傳輸線貼片表面電流的幅度分布在宏觀上是基本一致的,表面電流集中分布在底部的細(xì)輻射條帶上。當(dāng)變?nèi)荻O管的電容變化天線工作在其它頻率時(shí),也可以看到類似的電流分布。

圖5 E面方向圖Fig.5 E_Plane Radiation Pattern

圖6 天線電流分布示意圖Fig.6 Current distribution of antenna

4 結(jié)論

本文提出了一款基于復(fù)合左右手傳輸線理論的頻率可調(diào)節(jié)天線的設(shè)計(jì)。通過加載變?nèi)荻O管的方式來實(shí)現(xiàn)天線工作頻率的實(shí)時(shí)可調(diào)節(jié)。全波仿真結(jié)果表明:該天線在S波段的可調(diào)節(jié)范圍超過了700 MHz(S11＜-10 d B),天線的尺寸僅有15 mm×15 mm×0.8 mm,符合現(xiàn)代通訊設(shè)備對天線小型化的要求,具有一定的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。

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