基于左手材料的高增益双频带微带天线

103254-1第27卷第10期强激光与粒子束V o l .27,N o .102015年10月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM SO c t .,2015基于左手材料的高增益双频带微带天线*赵亚娟1,2, 王东红1,2, 李宝毅1,2, 王 蓬1,2, 周必成1,2, 江 波1,2(1.中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原030006;2.电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006) 摘 要: 左手材料具有平板透镜聚焦效应,突破电磁波的衍射极限实现倏逝波的放大,其覆盖于微带天线上方,可以提高天线增益㊂设计了一种应用于UH F 和W L A N 的双频微带天线,通过在接地板上刻蚀 己 字形弯折缝隙的方法实现双频谐振㊂为了改善微带天线低频段的增益,设计了一种新型的哑铃型结构双频段左手材料,将其作为微带天线的覆层㊂测试结果表明,覆层左手材料微带天线的低频段和高频段的峰值增益分别为2.1d B i 和7.4d B i㊂ 关键词: 左手材料; 微带天线; 双频天线; 带宽; 增益中图分类号: T N 828.6 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201527.103254微带天线由于具有结构简单㊁易于制作㊁重量轻㊁体积小㊁成本低等诸多优点,在军事与民用中得到广泛应用,包括雷达天线㊁空间科学㊁生物医学领域及各种无线通信系统㊂然而,微带天线损耗大㊁增益低降低了辐射效率,因此提高微带天线增益成为研究的热点[1-4]㊂目前,无线通信的快速发展促使多频段共用变得普遍,对天线的研究者来说,设计出同时工作在多个频段,兼容多种协议的天线尤为重要㊂因此,双频微带天线引起了诸多学者的广泛关注[5-9]㊂左手材料(l e f t -h a n d e d m e t a m a t e r i a l s ,L HM s ),是指同时具有负介电常数和负磁导率,电场㊁磁场和波矢三者构成左手关系的人工周期结构材料㊂左手材料表现出许多奇异特性,如负折射㊁逆D o p pl e r 效应㊁逆C e r e n k o v 辐射效应㊁完美透镜等物理现象㊂左手材料由于具有诸多奇异特性,在微波通信领域有着广泛的应用价值,特别是有效改善天线的性能[10-14]㊂文献[12]设计了基于左手材料的小型化雷达阵列天线,采用左手材料有效地减小了天线的体积㊂文献[13]将单层左手材料作为天线的覆层,天线的带宽明显得到改善㊂文献[14]通过覆层添加多层左手材料介质,微带天线的方向性和增益均大大提高㊂本文设计了一种应用于UH F 和W L A N 的双频微带天线,其低频段和高频段的增益值分别为-1.2d B i 和3.3d B i,不能满足无线通信的需求㊂为了改善天线低频段的增益,设计了一种新型的双频段左手材料㊂利用左手材料平板透镜聚焦效应,覆层左手材料的微带天线的低频段和高频段的增益值分别提高了3.3d B i 和4.1d B i㊂1 双频微带天线F i g .1 S t r u c t u r e o f d u a l -b a n dm i c r o s t r i p a n t e n n a 图1 双频微带天线结构示意图设计的双频微带天线的结构如图1所示㊂天线包括三层,上层是 己 字形缝隙的接地板,中间层为介质基板,下层为微带馈线㊂在接地板上开有四个对称 己 字结构的弯折形槽,用来实现微带天线的双频谐振㊂接地板边缘开缝,实现天线的小型化㊂其中,低频段谐振由缝隙s l o t 1和s l o t 2共同激励,l 1+l 2+l 3+l 4+l 5的总尺寸约为λ1/4(λ1表示低频段的导波波长);高频段谐振由s l o t 1激励,其中l 1+l 2的总尺寸约为λ2/2(λ2表示高频段的导波波长)㊂设计的双频微带天线工作频率为0.9G H z 和2.4G H z ,采用介电常数为4.4,损耗角正切值为0.02,厚度为1.524mm 的R F 4介质基板㊂通过三维电磁仿真软件C S T 进行模拟仿真,天线参数为:l g =60mm ,w g =55mm ,l 1=10mm ,l 2=9.5mm ,l 3=10mm ,l 4=11.5mm ,l 5=16mm ,a =1.5mm ,b =2mm ,c =26mm ㊂*收稿日期:2015-07-10; 修订日期:2015-09-07基金项目:中国电子科技集团公司山西省重点实验室专项资金项目(Z X 15Z S 391);国家重点基础研究发展计划项目(2013C B A 01700);国家国际科技合作专项资助课题(2014D F R 10020)作者简介:赵亚娟(1989 ),女,硕士,工程师,从事电磁防护材料及技术研究;798710363@q q.c o m ㊂103254-2图2为双频微带天线的反射系数图㊂仿真结果表明,天线的工作频率为0.9G H z 和2.4G H z,带宽分别为5.5%(0.88~0.93G H z )和8.3%(2.25~2.45G H z )㊂双频段的峰值增益分别为-1.2d B i 和3.3d B i ,由于低频段的增益为负数,不能满足通信系统需求㊂因此,在微带天线上方添加左手材料,通过改善微带天线的辐射特性提高增益㊂F i g .2 R e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t s o fm i c r o s t r i p an t e n n a 图2双频微带天线的反射系数F i g.3 S t r u c t u r e o fL HM s u n i t c e l l 图3 左手材料单元结构示意图2 基于左手材料的双频天线2.1 左手材料单元设计了一种新型的同向双开口环金属线复合的左手材料单元,单元结构如图3所示㊂外环实现低频段0.9G H z 谐振,内环实现高频段2.4G H z 谐振㊂采用相对介电常数为2.2,厚度为0.762mm 的R o ge r s 5880介质板,周期单元为20mmˑ20mm ㊂其中,内外单元环的周长为对应工作频率的1/2波长㊂使用C S T 三维电磁仿真软件对该结构的电磁波反射和透射行为进行模拟㊂采用N i c o l s o n -R o s s -W e i r (N RW )方法[15],先通过C S T 得到S 参数,再采用反演程序得到等效介电常数和等效磁导率随频率的变化曲线,结果如图4所示㊂由图4可知,电谐振在较宽范围内具有负介电常数,磁谐振在0.9G H z 和2.4G H z 处实现负磁导率㊂因此,谐振单元在0.9G H z 和2.4G H z 处实现了双负特性,即左手特性㊂F i g .4 S -pa r a m e t e r s i n v e r s i o n r e s u l t 图4 S 参数反演结果2.2基于左手材料的微带天线F i g .5 S t r u c t u r e o f d u a l -b a n dm i c r o s t r i p a n t e n n ab a s e do nL HM s 图5 基于左手材料的双频微带天线结构图负折射率材料能突破电磁波衍射极限,倏逝波在负折射率介质中具有放大效应㊂因此将左手材料作为微带天线的覆层,利用负折射特性制作的左手材料平板透镜,可以改善天线辐射特性,提高天线增益㊂基于左手材料的双频微带天线的结构如图5所示㊂上层由间隔为20mm 的3ˑ3个左手单元组成的左手材料,下层为双频微带天线,优化后的上下两层的空气层间距h 为4.5mm ㊂左手材料和双频微带天线介质基板的尺寸均为60mmˑ60mm (0.36λg ˑ0.36λg ,λg 为强激光与粒子束103254-3天线低频段的导波波长)㊂3 测试和仿真结果分别加工了微带天线和覆层左手材料的双频微带天线(对应天线A 和天线B ),图6为天线A 和天线B 的实物图㊂微带天线印制在相对介电常数为4.4,损耗角正切值为0.02,厚度为1.6mm 的F R 4介质基板上,左手材料印制在相对介电常数为2.2,损耗角正切值为0.0009,厚度为0.8mm 的R o ge r s 5880介质基板上㊂F i g.6 P h o t o s o f a n t e n n a s 图6天线实物图F i g.7 R e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t s o f a n t e n n a sAa n dB 图7 天线A 和B 的反射系数图7为微带天线和覆层左手材料的双频微带天线(对应天线A 和天线B )测试和仿真的反射系数㊂仿真结果表明,天线A ㊁天线B 的带宽分别为5.5%(0.88~0.93G H z ),8.3%(2.25~2.45G H z )和12.2%(0.84~0.95G H z ),9.6%(2.21~2.44G H z),与天线A 相比,天线B 的低频段和高频段带宽分别增加了60MH z 和30MH z ㊂测量结果表明,天线A ㊁天线B 的带宽分别为5.5%(0.89~0.94G H z ),8.3%(2.28~2.48G H z )和13.3%(0.84~0.96G H z ),9.6%(2.22~2.45G H z),与天线A 相比,天线B 的低频段和高频段带宽分别增加了70MH z 和30MH z ㊂测量与仿真结果相比,天线的谐振点均略微偏移,主要是由加工误差㊁测量误差㊁接头焊接误差所引起的㊂图8为天线A 和B 的测试增益曲线㊂由图8(a)可知,与天线A 相比,天线B 低频段的峰值增益提高了3.3d B i ㊂由图8(b )可知,与天线A 相比,天线B 高频段的峰值增益提高了4.1d B i㊂因此,在工作频段范围内,天线B 的增益均高于天线A 的增益,双频段的峰值增益分别提高了3.3d B i 和4.1d B i㊂F i g.8 G a i n s o f a n t e n n a sAa n dB 图8 天线A 和B 的增益4 结 论本文设计了一种应用于UH F 和W L A N 的双频微带天线,利用接地板开缝的方法实现双频谐振㊂通过在赵亚娟等:基于左手材料的高增益双频带微带天线强激光与粒子束天线覆层添加同向双开口环金属线复合周期结构的左手材料,改善了天线低频段的增益㊂结果表明:与未覆层的微带天线相比,覆层左手材料微带天线在低频段和高频段的增益分别提高了3.3d B i和4.1d B i㊂参考文献:[1] Y a n g L i u f e n g,W a n g T i n g.M E M S p a t c h a n t e n n a a r r a y w i t hb r o a d b a n d a n dh i g h-g a i n o n d o u b l e-l a y e r s i l i c o nw a f e r s[J].H i g hP o w e rL a s e ra n dP a r t i c l eB e a m s,2015,27:024129.[2] B j o r n i n e nT,S y d a n h e i m oL,U k k o n e nL,e t a l.A d v a n c e s i n a n t e n n a d e s i g n s f o rUH FR F I Dt a g sm o u n t a b l e o n c o n d u c t i v e i t e m s[J].I E E EA n t e n n a s a n dP r o p a g a t i o nM a g 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n g1,2, L i B a o y i1,2, W a n g P e n g1,2, Z h o uB i c h e n g1,2,J i a n g B o1,2(1.N o.33R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n aE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n,T a i y u a n030006,C h i n a;2.E l e c t r o m a g n e t i c P r o t e c t i o n M a t e r i a l s a n dT e c h n o l o g y K e y L a b o r a t o r y o f S h a n x iP r o v i n c e,T a i y u a n030006,C h i n a)A b s t r a c t: L e f t-h a n d e dm a t e r i a l s(L HM s)p r e s e n t f l a t l e n se f f e c tw h i c hc a ne n h a n c ee v a n e s c e n tw a v eb y b r e a k i n g t h ed i f-f r a c t i o n l i m i t o f e l e c t r o m a g n e t i cw a v e.A n dm i c r o s t r i p a n t e n n a g a i nc a nb e i m p r o v e db a s e do nL HM s.I n t h e p a p e r,ad u a l-f r e-q u e n c y m i c r o s t r i p a n t e n n a i sm e n t i o n e d.M e a n d e r s l o t s a r e e t c h e do n t h e g r o u n d p l a n e t o p r o v i d e t h e d u a l-b a n do p e r a t i o n.I no r-d e r t o i m p r o v e g a i no f t h e a n t e n n a a t t h e l o w e r f r e q u e n c y,an o v e l p e r i o d i c s t r u c t u r eo fL HM s i sd e s i g n e d t oc o v e r t h e a n t e n n a. T h em e a s u r e m e n t r e s u l t s s h o wt h a t t h e g a i n o fm i c r o s t r i p a n t e n n aw i t hL HM s i s2.1dB i a n d7.4d B i a t t h e t w o b a n d s r e s p e c t i v e-l y.K e y w o r d s:l e f t-h a n d e dm a t e r i a l s; m i c r o s t r i p a n t e n n a;d u a l-b a n da n t e n n a;b a n d;g a i nP A C S:41.20.J b;42.25.B s;78.67.P t;84.40.B a103254-4。