刘松涛，秦顺友，韩国栋

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081)

0 引言

随着电子器件和电路系统向着小型化、集成化、多功能的方向发展，留给天线的空间越来越小，这就要求在设计天线时要尽可能降低天线的剖面高度与尺寸，在保证优良性能的前提下尽可能的减小天线尺寸是目前研究的重点。超材料作为一种新型的电磁材料，通过设计材料的关键物理结构，可以使该材料呈现出与自然界普通材料不一样的奇异特性，为实现天线的小型化、宽频带、低剖面、高增益提供了新思路［1-2］。

电磁带隙结构 (EBG)具有同相反射性，以EBG结构作为天线反射板，是常见的降低天线剖面的方法［3-5］，但EBG结构具有窄带特性，用此种方法很难实现宽带天线。文献［6］使用蘑菇型CRLH结构实现低剖面，但该天线尺寸过大，为1．1λ(1．1λ(λ为真空中该天线中心频点对应波长)，且波束宽度较窄，不利于组阵应用，此外，蘑菇型结构存在过孔，加工较为复杂。文献［7］中的天线无过孔结构，但天线尺寸过大，不能组阵，并且该天线为单线极化，不能满足移动通信的需求。

本文通过推导单负型CRLH结构谐振频率的公式，得出影响其谐振频率的参数，通过合理选择CRLH单元尺寸、单元间隙、介电常数等参数，降低其谐振频率，实现低剖面与小型化兼顾。并在此基础上设计了两种低剖面双极化天线，都具有良好的带宽与驻波特性，并且易于组阵，可应用于移动通信中。

1 低剖面天线设计原理

复合左右手传输线即传统右手传输线中引入左手电容、左手电感，从而获得特殊的电磁特性。其中复合左右手材料可分为双负型结构与单负型结构。双负型结构即同时引入左手电容、左手电感，使得等效磁导率、等效介电常数都为负数，该结构传播常数可为负数、正数或者为0，利用该特性，该结构常被用来设计零阶谐振天线，实现天线的小型化。单负型结构即仅引入左手电容或左手电感，其等效磁导率、等效介电常数仅有一个为负值。不论双负型结构和单负型结构，其色散图都是非线性的，以之作为辐射单元设计的天线，谐振频率是不调和的，即Wm≠mW1，其中m为谐振阶数，W1为一阶谐振频率。利用复合左右手结构的该特性，使得一阶、二阶谐振频率更容易融合，实现宽频特性。

当CRLH结构单元边长小于1/4λ时，可认为是均匀型结构，当单元高度h远小于波导波长时，可利用传输线模型分析。以CRLH结构作为辐射单元设计微带天线，根据微带天线传输线模型，将周期性CRLH结构贴片看作边长为L的一段微带传输线，沿着x方向的终端呈现开路，故形成电压波腹，若贴片x方向长度为λm/2(λm为微带线上波长)，则L另一端也是电压波腹，天线的辐射主要由贴片与地板间的缝隙形成。于是该复合左右手结构可表示为相距L的两条具有等效复导纳的缝隙，复导纳的等效长度为ΔL。等效长度及该区域内等效介电常数、等效传播常数经验公式如下［6］:

复合左右手结构的传播常数βCLHR可由其色散图求得。由微带天线传输线模型可得，需要在缝隙两侧形成电压波腹方可实现辐射，这就需要电磁波沿x方向相位变化为180°。故TM10模谐振频率可由下式求得:

由于地板上的电磁耦合缝隙在复合左右手单元间的缝隙正下方，使得缝隙两侧的电场方向相反，则TM20谐振频率为:

色散曲线可通过布里渊区法直接获得;或者利用波导传输法，从S参数中提取。结合上式计算出TM10模式和TM20模式的谐振频率。

文献［2］中采用加载左手电容的单负型复合左右手结构，其等效磁导率为负值，故又被称为MNG传输线。两端开路的MNG传输线可看作是一种谐振器结构，由于左手特性，MNG传输线色散图为非线性的。对周期性MNG单元结构应用Bloch－Floquet定理，MNG传输线的相位常数有如下表达式［8-9］:

谐振频率Wn与对应的电长度θ存在如下关系:

联立式 (6)和式 (7)可求得各阶谐振器的谐振频率Wn:

其中:n=0，1，2，3，．． + ∞

式中，n、βn、N、分别为谐振阶数、相位常数、单元个数与单元长度。由 (8)式可看出，增大右手电感LR，增大右手电容CR，增大左手电容CL可降低谐振频率。故本设计采用较高介电常数介质材料，减小CRLH贴片单元间隙g，降低谐振频率，以实现天线的小型化。

2 低剖面天线单元设计

2.1 宽带低剖面天线

本设计采用介电常数为6.15的Rogers RT6006作为复合左右手结构的介质基板，厚度为h=6 mm。CRLH单元边长w=7.6 mm，单元间隙g=0.6 mm，通过正方形单元的间隙引入左手电容，实现左手特性。CRLH结构色散图采用布里渊区法绘制。利用HFSS软件中的本征模求解器，根据布里渊区法使波矢历遍整个CRLH单元，进而求得其色散曲线。由于CRLH单元为完全对称结构，且作为辐射单元时电磁波主要沿X，Y方向传播，故绘制色散图仅考虑一个方向即可。图1(a)为HFSS软件中绘制色散图的模型。模型最下方为CRLH单元，外围由横截面积与CRLH单元介质基板相等的空气盒子包围，空气盒子高度一般为CRLH单元高度的6－8倍，在空气盒子最上层设置理想匹配层，以防止反射波的影响。连同理想匹配层，在模型的最外围设置两对主从边界，并在两对主从边界间设置相位延迟phase1，phase2。由于仅需考虑一个方向，故 phase1由 0°增加到180°，phase2保持0°不变，利用HFSS软件中的参数扫描功能进行计算。本节中的CRLH单元色散图如图1(b)所示，图中虚线为CRLH单元的色散图，两直线由上一节中公式(4)、公式 (5)求得。根据上一节中宽带低剖面天线的设计原理可得，两直线与CRLH单元色散曲线的交点即为天线谐振频率:TM10=3.17 GHz，TM20=4．02 GHz。

该天线采用缝隙耦合馈电，天线结构及各部分尺寸如图2所示，最上层为CRLH结构的周期性贴片，向下依次为CRLH结构的介质基板、地板与馈电微带线，在地板上开有矩形耦合缝隙，缝隙的位置为CRLH周期型结构中心缝隙的正下方。地板上的缝隙与其正上方的CRLH单元间的缝隙可使缝隙两侧电场反相，由此激励起反相TM20模，实现宽带特性。天线采用缝隙耦合馈电结构，这种馈电方式能有效抑制馈电微带线对辐射单元的影响。

图1 CRLH结构色散图

图2 宽带低剖面天线结构示意图

根据上一小节的理论分析，由公式 (8)可得，减小CRLH贴片单元间隙可降低谐振频率。图3展示了超材料单元上层贴片间隙g取不同值时天线的阻抗带宽与谐振频率的变化情况。由图可得，随着CRLH单元贴片间隙的减小，天线阻抗带宽与谐振频率向低频移动，并且相对带宽增大，根据该规律，经过优化计算，最终选取g=0.6 mm。该天线尺寸40 mm，约为0.47λ0剖面高度6.813 mm，约为0.08λ0(λ0为中心频点在真空中对应波长)。地板上矩形耦合缝隙初始长度大致等于辐射单元总长度，宽度大致为长度的十分之一。微带线的开路端长度初始值选取为波导波长的四分之一。矩形耦合缝隙的长度对天线输入阻抗有重要影响，长度增大，耦合量增大，天线输入阻抗变大。而馈电微带线的开路端长度对矩形耦合缝隙引入的电抗起补偿作用，调整矩形耦合缝隙的长宽与馈电微带线开路端长度实现阻抗匹配。当矩形耦合缝隙长度ls=31 mm，宽度ws=1.4 mm，开路短截线长度l1=14 mm时，端口反射系数小于－10 dB(2.85～4.26 GHz)满足设计要求，天线驻波特性与方向图如图4所示。

图3 天线阻抗带宽随超材料单元间隙变化情况

图4 宽带低剖面天线HFSS仿真结果

通过仿真结果可看出，端口S参数呈现“W”型，实现了两种模式谐振频率的融合，阻抗带宽为2.85～4.26 GHz，相对带宽为40%，增益6.31 dBi，波束宽度约为90°±10°，并且该天线尺寸较小，仅为 0.47λ0(0．47λ0(0．08λ0，可作为宽角扫描相控阵天线的阵元。

2.2 低剖面双极化天线

上述设计为单线极化天线，不具备双极化天线抗干扰能力强、极化复用、极化捷变和收发同工等优点。由于上述CRLH结构为完全对称结构，x，y方向完全等效，故该结构可应用于双极化天线的设计，下面利用上一小节中宽带低剖面天线设计原理，设计低剖面双极化天线。由于反相TM20模的激励要求耦合缝隙必须在CRLH结构中心缝隙的正下方，并且要实现双极化特性，故十字形矩形缝隙为首选结构。电场通过两相互正交的矩形缝隙耦合至辐射单元。低剖面双极化天线结构及尺寸如图5所示。

图5 低剖面双极化天线结构示意图

最上层为CRLH结构的周期性贴片，向下依次为CRLH结构的介质基板、上层地板、空气层、第一层馈电网络、下层地板、第二层馈电网络。其中上下两层地板上都开有十字形缝隙，且二者投影重合。上下两层馈电网络激励下层地板上的缝隙，通过空气层使上层地板上产生耦合电流，上层地板上的缝隙将电流耦合到辐射贴片上。由于馈电网络与辐射单元之间存在地板，这种缝隙耦合馈电方式大大降低了馈电网络对辐射单元的影响。馈电网络由两个等幅同相的T形功分器组成，功分器耦合臂的初始位置为十字形缝隙长度的四分之一处，开路短截线的长度为微带线波导波长的四分之一。通过调整缝隙的长宽、耦合臂的位置、开路短截线的长度实现阻抗匹配。当十字形缝隙尺寸为32 mm时达到设计要求。该低剖面双极化天线驻波特性与方向图如图6所示。

由图6可看出，天线有良好的驻波特性，阻抗带宽为2.98～4.16 GHz，相对带宽为33%，增益6.40 dBi，异极化隔离大于55 dB，0°交叉极化大于65 dB，±60°交叉极化大于40 dB。该天线尺寸为40 mm，仅为0.488λ0×0．488λ0×0．096λ0，其中λ0为中心频率在真空中对应波长。

2.3 ±45°宽带低剖面双极化天线

图6 低剖面双极化天线HFSS仿真结果

目前移动通信都是采用±45°双线极化天线，针对移动通信需求，设计了一种低剖面宽带双极化天线。由于把辐射单元旋转45°后，受介质、地板边界的影响，十字形缝隙相连通区域耦合严重，导致贴片上电流方向不纯，使隔离与交叉极化发生恶化，为解决该问题，本设计采用中间不连通的十字形缝隙，降低两缝隙间的耦合，改善隔离与交叉极化［10］。此外，本设计简化了上一节中双极化天线结构，去掉空气层，使CRLH结构与耦合缝隙共用同一层地板，进一步降低天线剖面高度，使天线更易于加工，天线结构如图7所示。

图7 宽带低剖面双极化天线结构示意图

天线由上到下依次为CRLH结构周期性单元、介质基板、第一层馈电网络、开有耦合缝隙的地板、馈电层介质基板、第二层馈电网络。CRLH单元尺寸w=6.6 mm，g=0.4 mm，h=4 mm，介质基板同样采用介电常数6.15的RT6006，边长为42 mm。馈电层介质基板采用介电常数为3.55的RO4003C，厚度为0.508 mm。天线总高度为5.016 mm，仅为0.06λ0(λ0为中心频率在真空中对应波长)，馈电网络为两个等幅同相的T形功分器。耦合缝隙为四个不连通的矩形缝隙，缝隙长度对天线输入阻抗影响较大，缝隙变长，由馈电微带线馈入的耦合增加，天线输入阻抗增大，反之则减小，本设计单缝长度选取为ls=16 mm。耦合缝隙的间距gs对端口隔离、交叉极化影响较大，缝隙间距必须大于单缝宽度，若间隙小于或者略大于单缝宽度，则四个相互正交的单缝会部分相连通或者单缝间距很小，这样单缝间仍然有较大的耦合，缝隙作用消失;但单缝间距也不宜过大，若单缝间距过大，会使馈电微带线与CRLH辐射单元边缘距离减小，产生多余耦合，使驻波和辐射特性发生恶化。经过优化设计，本设计的缝隙间距选取为6 mm。由于两个极化的耦合缝隙是不连通的，减小了两个极化缝隙间的耦合，改善了隔离度与交叉极化。该天线驻波特性与方向图如图8所示。

图8 宽带低剖面双极化天线HFSS仿真结果

由图8可看出，天线有良好的驻波特性，阻抗带宽为3.08～3.93 GHz，相对带宽为24%，增益为5.77 dBi，异极化隔离大于50 dB，0°交叉极化大于60 dB，±60°交叉极化大于27 dB。不连通的十字形缝隙馈电对隔离与交叉极化有明显改善。此外该天线尺寸较小，仅为0．49λ0×0．49λ0×0．058λ0，其中λ0为中心频率在真空中对应波长。天线波束宽度为90°±10°，结合小型化的特点，该天线可应用于宽角扫描相控阵的阵元，为新一代移动通信天线设计提供了新的设计思路。

3 结束语

本文利用复合左右手结构色散图非线性的特性，结合微带天线传输线理论，实现两种模式相邻谐振点的融合展宽带宽，设计了基于CRLH结构的宽带低剖面天线;根据CRLH结构的对称特性设计了基于CRLH结构的低剖面双极化天线;利用四个不连通的相互正交矩形缝隙耦合馈电，减小不同极化间的耦合，改善隔离与交叉极化，设计了特性优良的宽带低剖面±45°双极化天线，该天线可进一步优化馈电结构，使得两极化驻波特性更加一直，可进一步拓展带宽。本文所给出的为三种宽带低剖面天线单元设计，进一步组阵分析为作者下一步研究工作。本文所设计的天线都具有良好的驻波、辐射特性，并且尺寸较小，可作为宽角扫描相控阵天线阵元，为第五代移动通信提供新的设计思路。