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采用弯折线结构的紧凑型三模超材料单极天线研究

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。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
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。

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