Compact 2.45 GHz microstrip antenna design usingcomposite right/left-handed transmission lines
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摘要: 基于复合左右手传输线基本原理, 提出了电磁带隙结构的双负媒质微带天线设计方法, 并制作了2.45 GHz的微带天线.该微带天线由2个单元的电磁带隙组成, 此电磁带隙结构经过优化采用非均匀结构, 可通过调整贴片尺寸和金属过孔半径来改变电磁带隙结构单元等效电路的并联部分电容和电感, 进而调节天线的谐振频率.设计并制作的微带天线其贴片整体尺寸为53.2 mm×19.8 mm, 在2.45 GHz的回波损耗为-32.6 dB, 方向图近似为8字形方向图, 最大增益为0.72 dB.仿真和测试的回波损耗、方向图符合得很好, 从而验证了这种设计方法的有效性.Abstract: Based on the composite right/left-handed transmission lines, a compact 2.45 GHz antenna with electromagnetic bandgap (EBG) double-negative (DNG) meta-materials is designed and manufactured. The two electromagnetic bandgap (EBG) structures modified by adjusting to non-uniform structures are used as the basic radiation part of microstrip antenna. The parallel capacity and inductance of equivalent circuit can be adjusted by the size of the microstrip patch and the radius of via respectively, therefore, the resonant frequency can be determined. Moreover, a microstrip antenna operating at 2.45 GHz is designed and manufactured with the dimension of 53.2 mm×19.8 mm. The return loss at 2.45 GHz is -32.6 dB, the radiation pattern is roughly 8 shaped radiation pattern and the maximum gain is 0.72 dB. The measurement results fit very well with the simulation, which validates the effectiveness of the proposed design.
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引言
随着无线通信技术的发展, 各种便携式数字设备, 如袖珍计算机、笔记本电脑、可穿戴计算机[1-2]、智能手机、智能数码相机等都应用了无线通信技术[3].由于移动终端的体积有限, 使终端内部留给天线的安装空间越来越小, 所以天线的小型化、平面化、高集成度成为其发展的主要方向[4-5].
近年来, 左手材料在微波领域的应用研究一直是电磁学领域的研究热点, 人们在高指向性天线、电磁波隐身材料等方面已做了广泛的研究[6].1967年, 前苏联科学家Veselago首先提出了双负媒质的概念[7].双负媒质具有与传统的右手材料截然不同的性质, 其介电常数ε和磁导率μ为负值.电磁波在双负媒质中传播时, 其电场、磁场与波矢遵循左手螺旋关系, 并呈现出一系列奇异的特性, 如负折射效应、逆切伦科夫辐射效应、逆多普勒效应等.左手传输线结构是双负媒质的一种特殊形式, 由美国加州大学的Itoh教授[8]和加拿大多伦多大学的Eleftheriades教授[9]几乎于同一时间所提出, 是一种基于周期性LC网络来实现双负媒质的新方法.
因为左手传输线在实际的实现过程中会不可避免地存在寄生的右手效应, 对此, UCLA小组引入了复合左右手传输线的概念[10].随着复合左右手传输线技术的发展, 其在天线设计领域的应用越来越广泛.对于传统的微带贴片天线, 虽然其具有重量轻、剖面低、成本小、加工方便等明显的优点, 但由于其自身的结构特点, 天线尺寸受波长限制, 为半波长数量级, 只能工作在存在谐振关系的特定频率下.复合左右手传输线结构作为左手材料的一种, 在其特有的零阶谐振模式下, 电磁波的传输常数β的值为0, 此时电磁波的波长为无穷大, 场分布与传输线的物理长度无关, 复合左右手传输线结构构成的零阶谐振天线的谐振频率不再依赖谐振器的物理尺寸, 左手结构零阶谐振天线的尺寸可以小于半波长, 从而实现了天线的小型化[11], 这在微带贴片天线的紧凑设计方面有非常明显的应用价值.
国内外研究人员应用复合左右手传输线原理设计了一系列微带贴片天线, 但其工作的中心频率大都较高, 如3.84 GHz, 10 GHz等[12], 或尺寸略大[13].本文设计了一种基于复合左右手传输线的小型微带贴片天线, 其工作的中心频率是2.45 GHz, 由2个电磁带隙(Electromagnetic Bandgap, EBG)结构贴片单元构成.最后对所设计天线进行制作, 并对其性能进行了测试, 通过仿真和测量获得的S参数曲线和辐射方向性图符合很好, 验证了提出的基于复合左右手传输线的小型微带贴片天线设计方法.
1 复合左右手传输线理论
1.1 复合左右手传输线
复合左右手传输线是一种新型的结构, 它同时具有左手材料和右手材料的特性.当电磁波在该传输线中传播时, 在某个频率范围内其传播特性会呈现“左手特性”:等效介电常数和等效磁导率同时为负值, 电场、磁场、波矢量遵从左手定则; 而在其他频率范围内呈现“右手特性”:等效介电常数和等效磁导率同时为正值, 电场、磁场、波矢量遵从右手定则[14].这种新型结构可以用于微波器件的制造以改善性能.复合左右手传输线的等效单元电路模型如图 1所示.
根据传输线理论, 传输线的传输常数为
γ=√Z′Y′=α+jβ. (1) 式中: Z′为传输线单元的阻抗; Y′为传输线单元的导纳.相应的阻抗和导纳公式为:
Z′=j(ωL′R−1ωC′L); (2) Y′=j(ωC′R−1ωL′L); (3) 对于无耗复合左右手传输线, 则有α=0, 将式(2)和(3)带入式(1), 可得其色散关系为
β(ω)=s(ω)√ω2L′RC′R+1ω2L′LC′L−(L′RL′L+C′RC′L). (4) 式中:
s(ω)={−1,ω<ωΓ1=min(1√L′RC′L,1√L′LC′R);+1,ω>ωΓ2=max(1√L′RC′L,1√L′LC′R). (5) 当复合左右手传输线的串联谐振和并联谐振相等, 即LR'CL'=LL'CR'时, 传输线处于平衡状态, 此时传输常数可以简化为
β(ω)=ω√L′RC′R−1ωL′LC′L. (6) 由式(6)可知, 当复合左右手传输线处于平衡状态时, 低频时其主要呈现左手特性, 而在高频时主要呈现右手特性.从左手特性过渡到右手特性的平衡频率点为
ω0=14√L′RC′RL′LC′L平衡时__1√L′C′. (7) 1.2 EBG结构
所设计的微带贴片天线结合了EBG结构[15], 是一种非常典型的复合左右手传输线.EBG结构及其单元的等效电路分别如图 2和图 3所示.
根据复合左右手传输线理论, 在开放边界条件下, 传输线零阶谐振的谐振频率主要由其并联支路的谐振频率决定[12]:
ωr=1√CRLL. (8) 2 天线设计与仿真
图 4所示为基于EBG结构的双负(Double-Negative, DNG)天线结构图, 其上表面天线结构、下表面接地板结构、侧面结构分别对应图 4中(a)、(b)和(c).从图 4(c)可以看出, 天线由2个单元的EBG结构组成, 与图 2中的结构类似, 差别仅仅是2个单元的EBG结构是非均匀结构.所设计非对称结构EBG结构的等效电路与图 3所示的等效电路相同, 其中右手电容CR是贴片和地板之间产生的平板电容, 右手电感LR则是由贴片上的电流场引起的, 而2个缝隙g1和g2的作用是产生左手电容CL, 连接贴片和接地板的金属过孔中的电流则产生了左手电感LL[12].
天线所用介质基板为FR4, 介电常数为4.4, 基板长度La=55.2 mm, 宽度Wa=22.8 mm, 厚度Ha=0.8 mm.采用微带线对天线进行馈电, 馈线和天线之间有缝隙g1, 馈线的宽度Wc=1.45 mm, 以实现50 Ω的阻抗匹配.使用微波仿真软件HFSS进行天线仿真和参数优化, 主要调整贴片尺寸和金属过孔半径大小来改变EBG结构单元等效电路的并联部分LL和CR, 使天线谐振频率为2.45 GHz.由式(8)可知, 贴片尺寸的增加会增大右手电容CR, 使得天线的谐振频率降低, 反之亦然; 而金属过孔直径的增加会减小左手电感LL, 使得天线的谐振频率增高, 反之亦然.
3 天线设计实例
为了验证上述所设计天线的有效性, 在相对介电常数εr=4.4, 损耗角正切tan δ=0.025, 厚度为0.8 mm的FR4基板材料上制作天线样品, 如图 5所示.该天线的主要参数尺寸与仿真得到的最优参数尺寸相同, 贴片整体尺寸为53.2 mm×19.8 mm.经过天线仿真和参数优化, 最终得到天线的具体参数尺寸如下: Wb=19.8 mm, Lb=12.0 mm, Lc=7.0 mm, Ld=33.0 mm, Le=14.0 mm, Wd=1.3 mm, 2条缝隙的宽度分别为g1=0.2 mm, g2=1.0 mm, 2个金属过孔分别位于所在贴片的中心位置, 过孔半径r=0.15 mm.
使用安捷伦矢量网络分析仪N5245A(通过校准件N4691-40004校准)对该微带贴片天线进行了测试, 仿真和实测的频率响应如图 6所示.从图 6可以看出, 在2.45 GHz处的回波损耗为-32.6 dB, 天线的-10 dB带宽为2.41~2.51 GHz, 频带宽度为100 MHz.图 7为通过LabExpress 2.0测试2.45 GHz处的天线增益方向图, 天线增益为0.72 dB.仿真与实测结果基本符合.
根据NRW传输/反射法, 可以推出该天线的相对介电常数和相对磁导率, 分别如图 8所示.可以明显地看出, 该天线的相对介电常数和相对磁导率在工作频率2.45 GHz情况下, 均为负值, 满足复合左右手传输线结构的基本特征.
4 结论
设计的基于复合左右手传输线的小型微带贴片天线, 由2个贴片单元构成, 贴片单元采用了EBG结构, 且采用了非均匀的结构.设计并制作了工作在2.45 GHz的微带天线, 其贴片整体尺寸为53.2 mm×19.8 mm.通过仿真和测量获得的S参数曲线和辐射方向性图符合很好, 验证了基于复合左右手传输线的小型微带贴片天线设计方法的有效性.
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