采用弯折线结构的紧凑型三模超材料单极天线研究
2022-06-09
单极天线研究
袁海军1李军伟2
（1.电子科技大学中山学院，广东中山528402；2.电子科技大学，四川成都611731）
摘要：提出了一种采用弯折线结构的紧凑型三模超材料单极天线，该天线具有三种工作模式：负阶谐振（NOR）、零阶谐振（ZOR）和正阶谐振（POR）。其中，零阶谐振和正阶谐振两模融合成一个单一的通频带（4.3～5.6GHz），获得双频段。天线的整体尺寸仅为33mm×26mm×1.6mm。
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关键词 ：超材料；双频段；三模
基金项目：中山市科技计划项目资助，项目编号：2013A3FC0287
0引言
近年来，作为实现超材料的一种典型途径，复合左右手传输线结构的设计概念被广泛应用于射频器件。
复合左右手天线超材料的研究成果有很多，例如加载超材料的复合左右手三频单极子天线［1］，由于谐振频率的降低，可实现设计的小型化；宽带零阶超材料天线［2］，该天线使用了蘑菇型单元结构，当融合了负阶和零阶模式时，虽然增益低，但是获得了较宽的带宽；使用NRI?TL加载的印刷单极子天线［3］，超材料单元被直接集成为大约5.5GHz的单极子天线，并产生了较低的频带。根据文献［4］，本文在底部用一个弯折线，把底部贴片和地连接形成接地电感。适当地调整本构参数，零阶谐振可以融合到正阶谐振上，天线就具有了顶部交指电容在2.5GHz形成的负阶谐振、零阶谐振和正阶谐振融合时的单一通频带（4.3～5.6GHz），因此得到了三模和双频段。
1天线设计
天线结构模型如图1所示，采用的基板为FR4，介电数为4.3，正切角损耗为0.025，厚度为1.6mm，并采用50Ω微带线馈电。通过在传统的天线上加载复合左右手传输线单元而形成左右手结构，这样有利于整个设计的小型化。简易等效电路模型如图2所示。
从图1、图2中可以看出，顶部贴片上的交指电容形成左手电容（CL）。在底部，连接贴片和地的弯折线可以用并联左手电
感LL来等效。右手电感支路（LR）是流经贴片长度的电流分布引起，并联右手电容（CR）由顶部贴片与底部贴片（Lb×Wb）之间产生。4个谐振频率可以从等效电路模型确定：
2仿真结果
使用电磁仿真软件AnsoftHFSS13.0对天线进行了仿真。S11曲线如图3所示，从仿真的S11参数可以看出，得到2.5GHz的负阶谐振、4.3GHz的零阶谐振和5.6GHz的正阶谐振三个模式。两个模式在4.3GHz和5.6GHz融合成单一宽频带，就只有了两个频段。
根据S参数，利用色散关系公式得到该天线的色散曲线，结果如图4所示。
由图可进一步说明其有三个谐振模式，色散关系式为：Beta=cos－1（1－S11S22+S12S21）/2S21。
图5显示了电容CL变化在负阶谐振模式上对谐振频率的影响。交指电容L1的长度从6mm增加到6.7mm，则谐振频率在2.31GHz到2.58GHz之间变化，然而零阶谐振频率基本不受影响。
图6显示了并联电感LL的变化，Z1的长度从2.5mm到3.5mm变化时，零阶谐振模式的谐振频率在4.3GHz和4.5GHz之间变化，可知Z1对零阶谐振模式的影响很大。因此，调整分布参数可使零阶模式融合到正阶模式，得到更宽的带宽。
图7给出了在2～7GHz工作频带内天线的仿真增益，其变化范围为-15.18～2.43dBi，在2.5GHz、4.3GHz和5.6GHz的最大增益分别为-5.21dBi、1.27dBi和2.35dBi。
3结语
本文提出了一个紧凑的三模超材料天线，其在传统天线上加载复合左右手传输线单元，构成复合左右手结构，实现了天线的小型化。该天线具有三种工作模式：NOR、ZOR和POR，并且两模式融合形成一个单一的通频带，获得双波段。天线的整体尺寸仅为33mm×26mm×1.6mm。
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参考文献］
［1］IbrahimAA，SafwatAME，El?HennawyH.TripleBandMicrostrip?FedMonopoleAntennaLoadedwithCRLHUnitCell［J］.IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2011，10：1547?1550.
［2］MokS，KahngS，KimY.AWideBandMetamaterialZORAntennaofaPatchCoupledtoaRingMushroom［J］.JournalofElectromagneticWavesandApplications，2013，26（13）：1667?1674.
［3］AntoniadesMA，EleftheriadesGV.ABroadbandDualModeMonopoleAntennaUsingNRI?TLMetamaterialLoading［J］.IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2009，8：258?261.
［4］BalaBD，RahimMKA，MuradNA.ACompactTriplemodeMetamaterialInspiredMonopoleAntennaforWidebandApplications［C］//2013ProceedingsoftheInternationalSymposiumonAntennas&Propagation（ISAP），2013，2：1127?1130.
收稿日期：2015?07?23
作者简介：袁海军（1966—），男，湖南宁乡人，副教授，研究方向：天线与微波器件。