魏良桂

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

基于左手材料的天线小型化技术研究

魏良桂

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

分析了左手材料实现小型化天线的理论依据，分析、设计了一种基于蘑菇型复合左右手传输线的微带天线，工作在1.6 GHz，并利用电磁仿真软件进行了优化，给出了利用复合左右手传输线结构的后向波效应，该天线不仅结构简单而且天线尺寸在X轴方向缩减了40.3%，在Y轴方向缩减了52.7%。

微带天线；小型化天线；蘑菇型复合左右手传输线；后向波效应

0 引 言

左手介质是20世纪90年代末期出现的一种新型结构的人工电磁媒质，它同时具有负值的介电常数和负值的磁导率，导致在该媒质中传播的电磁波其电场E、磁场H以及波矢量k三者构成左手系，而不遵循常规媒质的右手法则，故而得名。自美国加州大学圣迭戈分校的Smith于2000年首次人工构造出这种自然界中并不存在的媒质以来，由于它所具有一系列超常规的电磁特性(包括左手特性、负折射特性、后向波特性等)而备受关注。国内外的研究成果表明，上述电磁特性具有较广泛的应用前景，本文将着重探讨后向波特性及其在微带天线小型设计中的应用。

Engheta的理论研究结果表明，将左手介质的后向波效应和传统介质的前向波效应相结合可以设计出小于半波长的谐振腔，且谐振腔的物理尺寸不再受制于谐振频率，而是取决于左手介质与传统介质的本构关系参数的比值，近期的实验结果证明了该理论的正确性和可行性。在这个应用实例中，左手介质相当于一个相位补偿器，电磁波在传统介质中传播时产生的相位差可以通过左手介质的后向波效应加以补偿。左手介质作为相位补偿器在微带天线小型化方面也具有巨大的应用潜力，应为根据罗远祉等提出的微带天线空腔模型理论，微带贴片与接地板之间可以看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振腔。因此微带天线也可以利用左手介质相位补偿效应突破传统微带天线半波长电尺寸的束缚，使得小型化设计成为可能[1]。

Tretyakov等人也利用左手材料的传输线模型对其实现天线小型化的理论进行了研究，通过数学公式推导得出：虽然天线的工作频带在其色散特性的影响下变窄，但是天线的尺寸得到了很大程度的缩减，由此可见，利用左手材料实现天线的小型化是完全可行的[2]。

1 复合左右手传输线简介

左手材料发展迅猛，在微波、通讯和天线等研究领域引起人们广泛关注。其中一类被称为复合左右手传输线(CRLH-TL)，它是在普通传输线上加载并联电感和串联电容构成的，具有后向波传输和零传播常数等独特性质。利用这些特性，可以设计结构紧凑的新型平面天线。如利用蘑菇状结构单元可以实现CRLH-TL，它能够发生负、零及正阶模式的谐振。

蘑菇型复合左右手传输线结构如图1(a)所示，图1(b)为其等效电路。该结构由正方形贴片及接地通孔有序排列组成。蘑菇状结构的串联电容对应贴片之间的缝隙电容，并联电感对应接地通孔产生的电感。串联电感对应于微带贴片自身的分布电感，并联电容对应于贴片和接地板之间的分布电容。

图1 蘑菇型复合左右手传输线结构

将BlochFloquet理论应用到CRLH-TL基本单元的等效电路中，可以得到CRLH-TL的色散关系为:

(1)

将N个基本单元串联起来可以构造长度为L=Np的CRLH-TL，色散曲线如图2所示[3]。

图2 色散曲线图

一般而言，由于串联谐振频率ωse和并联谐振频率ωsh并不相等，所以在CRLH-TL的左手区域和右手区域之间存在禁带。当CRLH-TL发生谐振时，满足：

(2)

在复合左右手传输线结构特有的零阶谐振模式下，理论上电磁波的传输常数β为零，此时波长即为无穷大，因而天线的工作频率(天线波长)就不再依赖于天线的几何尺寸，而仅与构成左右手传输线的左手电感和右手电容有关，因此就可以通过适当调整结构实现天线小型化。当β<0时，k0(自由空间的波矢量)指向天线的源端方向，形成后向波；当β>0时，k0指向天线的终端方向，形成前向波，也可以调整传输线结构的尺寸,利用其后向波效应实现小型化。

2 天线的仿真

应用CRLH结构设计小型化天线，设计的工作频率是1.6GHz，可以用于设计船舶救险报警中的1.6GHzEPIRB天线，设计的思路是在微带天线中部分加载蘑菇型CRLH-TL结构，达到减少微带天线尺寸的目的，结构如图3所示。

图3 仿真结构图

天线由两单元的蘑菇型结构组成，采用相对介电常数为2.2，厚度h=10.2mm，长L0=80mm、宽W0=80mm的RogersRT/duroid5880介质基板，介质基板上面印刷天线，底面是接地板。微带贴片的尺寸是L×W=34mm×34mm，天线采用同轴线馈电，同轴线距离贴片中心的距离是s=14mm，同轴线的外半径d0=1.7mm，内半径d1=0.5mm。CRLH单元的尺寸是L1(x方向)×W1(y方向)=10mm×l4mm，过孔的半径是R2=0.11mm，CRLH单元和贴片之间的缝宽是g2=0.58mm，两CRLH单元之间的缝宽是g1=0.8mm。间隙g1、g2的作用是产生左手电容，即串联电容。2个短路过孔的作用是用来产生左手电感，即并联电感。右手电感是由贴片上的位移电流引起，右手电容是贴片和接地板之间产生的平板电容。

采用HFSS对天线进行仿真，利用优化所得最佳尺寸得到反射系数S11曲线，如图4所示。

图4 天线的S11曲线

由S11曲线可以看出，天线在1.6GHz处的反射系数是-25.171 9dB，天线的尺寸与工作波长的关系是(λ/5.51)×(λ/5.51)×(λ/18.4)，即34mm×34mm×10.2mm,可以看出天线相对于传统的微带天线有了大幅度的缩减(在同样的条件下，利用经典的微带天线方法计算出的贴片的尺寸是(λ/3.32)×(λ/2.52)×(λ/18.4)，即57mm×73mm×10.2mm[4])，在1.6GHz处的辐射方向图如图5所示。加载CRLH的微带天线的带宽为1.59～1.61GHz，相对带宽为1.25%，增益为1.865dB。不加材料的微带天线在1.58GHz处谐振，它的带宽为1.56～1.59GHz，相对带宽为1.9%。可以得出天线在x轴方向缩减了40.3%，在y轴方向缩减了52.7%，但带宽和增益都有所减小。

图5 天线在1.6 GHz处的方向图

3 结束语

本文在研究左手材料实现小型化理论依据的同时，基于1×2的蘑菇型复合左右手传输线结构设计了具有后向波效应的1.6GHz微带天线基板，对微带天线的纵向波进行相位补偿，探讨利用后向波效应减小微带天线纵向尺寸的可行性和实用性。通过仿真优化，获得在1.6GHz处的S11达到-25.17dB，天线增益为1.86dB。仿真结果验证了利用左手材料的后向波效应可以实现微带天线小型化，且将其纵向尺寸减小了52.7%，突破了传统微带天线的半波长尺寸设计要求的限制。虽然在小型化后天线的带宽、增益等性能都有所降低，但是仍在可接受的范围内。研究结果表明，微带天线的这 项小型化技术具有较高的应用前景和推广价值。

[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,赵晓鹏.基于复合左右手传输线的新型低剖面全向微带天线[J].陕西师范大学学报,2009,37(5):46.

[4] 刘福平.左手材料基本特性及其在小型化天线中的应用研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,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