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超材料结构特性的线天线

（E. S. Pires, G. Fontgalland, M. A. B. de Melo, R. M. Valle

UFCG: CEEI/DEE/LEMA）

摘要：本文提出了三副关于WI-FI 802.11n应用的的天线。第一副天线是一副双频段的天线，它的工作频段在2.4GHz和5.5GHz。这个天线的构思来源于zero-order超材料线天线。通过对zero-order模型天线的电容和电感系数的正确选择，就实现了一副在两个频段的新的超材料的线天线，通过仿真得出它在2.4GHz时的增益为2dBi，在5.5GHz时的增益为4dBi。另外的两副天线一个是紧凑的折叠单级子天线，其增益为0.5dBi，另外一幅是紧凑的折叠偶极子天线，其增益为2dBi。本次设计通过CST Microwave Studio全波模拟器仿真和测量。

关键字：折叠天线；超材料天线；超材料；WI-FI应用；线天线。

1、引言

最近几年，无线系统经历了前所未有的发展，在无线领域里，WI-FI天线系统是最普遍的。IEEE802.11n标准允许同步两个不同的频段，也就是2.4GHz的频段是2.41GHz和2.8GHz而5.5GHz频段则是5.17GHz到5.8GHz，未来无线系统的进一步发展旨在创造出新型的天线结构，而超材料技术已经被使用在设计新的双频段天线结构，超材料大多是可以人为进行加工的，并不只是在大自然里自然生成，它可以通过设计加工成为不寻常电磁器件[1], [2]。超材料介质天线作为辐射载体使用在超介质领域方面 [3], [4]。或者也可以考虑作为天线的负载参杂在金属参杂物里 [5]–[7]，但是纯金属除外。C.Caloz和T.Itoh等人提出应用传输线理论，利用微带元件（叉指型电容和螺旋型电感）制作人工的左手性传输线，这种结构具有适中的插入损耗和较宽的带宽[5-6]。与此同时，A. Grbic和G.. V. Eleftheriades等人提出在传输线中周期性的加载L-C构成一维特异材料，由于微带线本身的寄生效应，所以这种材料不是纯左手材料，而是复合左右手传输线(CRLH TL)。在集总元件允许的频率范围内，通过选取不同的L-C值，很容易的实现左手通带的调节[7]。阻抗匹配是传输线理论中的一个重要组成部分，目的是使高频微波信号都能够经由传输线传至负载点，而不会引起反射导致叠加在原信号上导致原信号的变形，甚至产生振荡、辐射等种种问题。

在这篇文章当中，提出了一种谐振型紧凑的尺寸的天线，它采用了原理是复合右/左手传输线。三个阵列天线可以用作各向同性传感器。它是与内置三格交界处，在呈现共振频率模式零阶（无限波长）。

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在本文中，我们采用的超材料的效果和特性来创建紧凑的尺寸，其中，在天线结构上采用zero-order（无限波长）的共振型线天线是独立的物理长度，从而使谐振器可以是任意小长度三副超材料介质天线被设计出运用于WI-FI应用：一副双频段的超材料介质的线天线（MIWA）和一副紧凑折叠单极子天线和一副紧凑折叠偶极子天线，而且它们都包含在超材料介质线天线（MIWA）中。这副超材料介质天线是通过超材料zero-order单体模型改进而来的，通过计算仿真得出它最低覆盖频率为2.4GHz，最高覆盖频段为5.5GHz。并且这副天线原型构造简单，很容易实现设计，在测设搭建方面也很简单，在本文中，对于天线仿真主要针对它的反射系数，增益和辐射方向图进行了讨论。这种复合材料的发现和开发右/左手传输线（CRLH TL）理论中的许多研究人员一直引导到开发新颖类型的使用该属性微波器件[1] - [6]和[12]，一个射频/微波实际组件，天线的数量和系统的应用程序，基于CRLH的概念超材料已被证明表现出前所未有的表演和功能[2]，超材料传输线（TL）的影响是一个不平凡的介电常数和导磁率的结果，复合左右手传输线具有无限波长波在因为零介电常数和导磁率的特定非零频的独特属性[1]，[2]和[3]，该CRLH概念考虑到并利用真实的左手（LH）的结构，其中也包括天然右手（RH）贡献的双重性。在低频相对湿度的影响是软弱和传播本质上是LH，导致落后的波的传播，而他们成为在较高频率下占主导地位，导致转发波传播[4]，这种LH超材料和CRLH超材料，提出并应用用于增强天线设计，它们基本上是双传统传输线的，超材料的这种双重性的认可和先进的发展分析，为新的一代微波组件铺平了道路，包括天线。超材料由于其独特的电磁特性已经越来越引起的研究人员的关注。它已被证明，超材料可以应用到天线应用中的天线的尺寸在不断减少[5]。为天线的改良提供了很大帮助。

2、ZERO-ORDER 模型天线结构

一副超材料天线的单元源自于zero-order模型，其只能产生一个谐振频段，理论上说，一副超材料特性天线的谐振频率取决于物理结构上天线的长度，所以理论上天线的结构尺寸依赖于电感系数和电容可以任意的小^[9]。每个天线具有其自己的等效电路。要像各向同性传感器的三个电路被放在一个平面其馈电方式为并行馈电。因此，每个天线将具有相同频率工作，因此，传感器将在三个轴接收相同的信号。该传感器可以被看作是具有三个独立的线性偏振。所接收到的信号幅度将在电场[12]的平方和。这些电抗系数被求得了相等了角频率,,,,它们的求解公式如下：

这副能够产生共鸣天线的线天线结构（ZORW）的设计根据单个zero-order模型设计的天线单元我们已经在文献^[10]给出了详细的理论解释。利用ABCD传输矩阵来分析图1所示的基本单元，得出输入变量Vn、In和输出变量Vn＋1、In 1之间的关系。 此电路可以看成是5个基本单元电路的级联： 一个串联电容2CL，接d/2的传输线，并联电感 ，再接d/2(电长度为2 2kd=theta;)的传输线，最后再串联电容2CL 如图1（a）所示。这个等效电路图如图1（b）所示。所以本文设计的这副ZORW天线结构由线的电感系数和一个串联电容还有一个并联电容最后加上一个环的电感系数构成，这副天线的设计和仿真时通过全波段CST MicrowaveStudio完成的，实际当中的测量时的馈电方式是共面波导馈电（CPW），它可以与各种微波元器件相连接，用它可制成传输线及元件都在同一侧的单片微波集成电路。共面波导被印刷在相同的基片上，如图1（d）所示，共面波导在一个1.6mm厚的廉价的介质板FR-4上构成，这个共面波导的微带馈线的长度是根据输入阻抗50欧相匹配。所有的天线结构及共面波导馈电的传输线的尺寸如图1（c）所示，所有尺寸的都是以毫米为基本单位。

天线测量仿真的反射系数图和ZORW天线模型图如图2所示，根据图我们可以看出实际测量的结果当在-10dB一下时，带宽为40MHz，通过CST仿真得出的结果当=-10dB时，带宽为52MHz，只是的谐振频率为2.46GHz。

主要测量和模拟仿真的辐射模式的E面和H面的方向图如图3所示，这个结果是天线最大辐射方向上。从这两幅图中我们可以看出，通过测试得出的方向图接近于全向性，天线方向上的极大值减小大小为10dB在馈电结构的侧面。

3、超材料特性的线天线

根据图1所示，这副ZORW天线结构由线的电感系数和一个串联电容还有一个并联电容最后加上一个环的电感系数构成，可以根据这些基础参数设计出不同的谐振频率的的天线，所以，当设计新的谐振频率时，角频率，，的值也将会改变不在一样，这个时候将会存在多个谐振频率，因此，在无限波长的情况下，固定的超材料已经不在满足新的谐振频率的天线结构。窗体顶端

模拟是由商业CST微波工作室软件来完成。用于一个天线单元模型ZORW天线，计算出谐振频率在2.45GHz，并对其进行操作和仿真。一副超材料天线的单元源自于zero-order模型，其只能产生一个谐振频段，根据超材料的特性理论来说，一副超材料特性天线的谐振频率取决于物理结构上天线的长度，所以理论上天线的结构尺寸依赖于电感系数和电容可以任意的小^[9]。每个天线具有其自己的等效电路。要像各向同性传感器的三个电路被放在一个平面其馈电方式为并行馈电。因此，每个天线将具有相同频率工作，因此，传感器将在三个轴接收相同的信号。该传感器可以被看作是具有三个独立的线性偏振。所接收到的信号幅度将在电场[12]的平方和。根据反射系数图可以看出天线的最佳谐振频率为2.45千兆赫，总带宽为10MHz，如可以在图3所示模拟回波损耗中看到。对于电感和电容的计算中考虑到的自感和互感式为长度相等的两条平行线，单匝环路的自感，导线之间和的环[7]的间隙的电容，[8]，[9]和[10]。为电容分别计算的值;而对于电感者; 电容用的众所周知的低温共烧陶瓷（LTCC）基板的特性计算。用于天线反射系数模拟所预期的结果于如图6示.，谐振频率是2.45GHz的具有10 MHz的带宽。对于所提出的各向同性传感器的辐射图案被显示在图（7），（8）和（9）分别为x-y平面，对于x-z平面和y-z平面。

4、超材料特性天线的模拟和测量结果

图5显示了利用CST仿真对超材料特性的线天线的回波损耗测量和仿真的结果。出于测试目的，该结构通过SMA连接器被连接到矢量网络分析仪（VNA）。通过模拟曲线可知，考虑到散热结构及其连接，同轴电缆和SMA连接器用于给CPW提供馈电，导致反射系数的显著变化。

忽略了连接器和电缆的影响，模拟结果表明在更高的频带的带宽为：带宽为673MHz，从5MHz开始。模拟中考虑了电缆和连接器具有2.15 GHz的带宽，从4.12 GHz开始。电缆和连接器的存在对天线回波损耗和带宽有很大的影响。虽然带宽无明显变化，但是带宽的向下转移约500 MHz。在2.4 GHz频段，模拟带宽，忽略电缆的影响和连接器为80MHz，从2.40 GHz开始。考虑到电缆和连接器，模拟带宽为220MHz，从2.30 GHz开始。虽然测量的带宽是140MHz，开始从2.38MHz开始。测量和模拟辐射模式在两个频段和主辐射平面（E面和H面）如图6所示。结果进行归一化处理，至最大辐射水平。在图7中呈现了模拟的增益和效率。平均而言，天线增益为一个2 dBi增益在较低的频带和一个4 dBi增益带宽对别对应着2.4GHz和5.5GHz。当天线传输效率在2.4GHz频段为百分子70，在5.5GHz时的传输效率为百分子85。一个CRLH谐振天线由CRLH传输线的结构，也可以是开路终端或短路终端的反应终止获得。任何结构均匀，以产生根据一个共振机构辐射，在一个驻波呈现沿着结构常数相场分布进行操作。宽边辐射和建设性场干扰以上的结构允许辐射。这付天线单元结构谐振线（ZORW）天线由串联的电感（线）与一电容和作为可以与分流电感（环）相连的并联电容的构成
如图1所示。

5 、折叠单极子天线

这付超材料特性的线天线覆盖了两个谐振频段，如果移除掉最短的这根传输线（5.5GHz），那个将会得到一个低频段的天线（2.4GHz），几何模型图如图8（a）所示，最后天线模型如图8（b）所示。图8中的天线具有折叠的几何结构 的单极子天线(FMA)，根据天线几何结构，又得到了对应的折叠偶极子天线（FDM）。如图8（a），为了得到最佳折叠单极子天线的地面尺寸和平面图结构，而又不改变天线的谐振频率，利用集总L-C元件构造的一维特异材料是通过在传输线中加载串联电容(CL)和并联电感(LL)实现，d为单元长度，为传输线特征阻抗，基本单元如图1所示。在天线的接地面的中心内的一个圆形的开口，防止电容器之间和地平面的物理接触，并提供必要的天线和馈电端口。折叠偶极子的天线的输入阻抗与单极子天线包含着一样的计算方法，仿真给出的天线的输入阻抗为：

通过输入阻抗计算天线结构中的天线电容：

折叠单极子天线的输入阻抗为折叠偶极子天线输入阻抗的一半：

采用同样的办法得到折叠单极子天线的电容为：

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如图呈现。图5（c）每个天线具有其自己的等效电路。要像各向同性传感器的三个电路被放在一个平面其馈电方式为并行馈电。因此，每个天线将具有相同频率工作，因此，传感器将在三个轴接收相同的信号。该传感器可以被看作是具有三个独立的线性偏振。所接收到的信号幅度将在电场[12]的平方和。

六、单极子天线和偶极子天线的测量仿真结果

通过仿真，折叠单极子天线和偶极子天线的模型及反射系数图如图9所示，锥形变压器被用于全电阻，匹配50。设计该天线，在2.5MHz下操作，通过简单地改变臂长度，该天线可以很容易地修改其操作，在其他频率进行操作。在所选择的频率，辐射元件的长度是3mm（图9（b））和1.5mm（图10（a）），分别针对于对FDA和FMA。

利用有限差分时域（FDTD）代码和CST微波工作室模拟了反射系数。如图9所示，测量和模拟结果之间达成了很好的一致性。在模拟的单极子天线的带宽是100MHz，测量分贝为105MHz。

对于折叠的单极天线，带宽有着显著差异，模拟带宽为39MHz，测量的带宽是115MHz（图10）。这些差异的原因是，第一个模拟不包括用于阻抗匹配的锥巴伦。作为一个宽带阻抗匹配器，锥形巴伦在很宽的频率范围内提供一个良好的匹配，增加了天线的带宽。后来，考虑到电缆的损耗和锥形巴伦的贡献，在模拟中给出了图10所示的结果。自由空间中的测量结果，模拟辐射模式在E面和H面如图11所示。结果被归一化至最大辐射水平。

可以看出，模拟和测量结果之间存在着一定关联。因此，我们

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