基于CRLH TL的小型化宽频带手机天线设计

用于WCDMA的小型宽频微带天线的设计与研制
孙瑜
【期刊名称】《科技信息》
【年(卷),期】2009(000)006
【摘要】本文提出了一种适用于WCDMA系统的新型小型宽频带微带天线结构,该结构是在三角形贴片天线上加载短路针和在贴片上开缝实现了小型化和宽频带.利用电磁仿真软件HFSS9.2进一步优化仿真得到了性能优良的设计结果.给出了设计参数.并进行了实际的加工测试.结果表明,HFSS仿真与测试结果基本吻合.天线的中心频率为2GHz,-10dB损耗带宽为350MHz,天线总尺寸为
35mm×35mm×35mm.能较好地满足WCDMA系统的要求,具有一定的实际应用前景.
【总页数】1页(P262)
【作者】孙瑜
【作者单位】92941部队96分队
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
【相关文献】
1.基于分形的小型化宽频带微带天线设计 [J], 任帅;吴启铎;张广求
2.可展宽频带的小型化微带天线设计 [J], 陈建;翁海峰;田印炯
3.宽频化与小型化微带天线的研究与设计 [J], 韩日霞;熊君瑞;岳满枝
4.一种可用于WCDMA移动终端的小型宽频带天线 [J], 李宏;尹静;张安荣;王均宏
5.小型多馈源宽频微带天线分析与设计 [J], 孙莉;周力;欧钢;张勇虎
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摘要超材料天线是近年来电磁学领域新颖的研究，以其独特的多频带、宽带、小型化、高增益特性受到了学者们的广泛关注。

透射阵列天线是一种新型的阵列天线设计，有着出色的高增益辐射性能以及设计制造的灵活性，近年来一直是专家学者们研究的重点。

本文首先从超材料天线与透射阵列天线的发展历史以及研究现状分析了这两种天线的特点与研究趋势，并研究了复合左右手传输线式超材料(Composite Right/Left Handed transmission-line,CRLH-TL)的工作频带特性以及透射阵列天线的工作与设计原理。

接着设计了四款宽带高增益天线，每一种天线都有其各自的特点。

本文主要完成以下工作：(1)设计了一款工作于5.4-8.2GHz的宽带高增益蘑菇型CRLH-TL天线。

基于CRLH-TL的多频特性以及基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)的原理，在宽带多频的蘑菇型CRLH-TL型天线基础上引入了基片集成波导腔体，扩宽了天线的阻抗带宽并提高了天线增益。

该天线实现了实测5.4-8.2GHz工作频带内最高9.5dBi的增益，其实测结果与仿真较为吻合，验证了该设计的出色性能。

(2)基于透射阵列天线工作原理，设计了一款工作于16GHz的单频透射阵列天线和工作于16GHz、27GHz的双频透射阵列天线。

两种三层纯金属透射阵单元皆具有宽频率通带、低透射损耗特性且均能在工作频段实现360度相位调控。

基于两种单元进行了透射阵列天线的设计。

双频透射阵列天线在16GHz、27GHz分别实现了27.8dBi、26.9dBi 的仿真增益，对应口径效率分别为78%、22%，具有极好的双频高增益性能；另一种单频透射阵列天线经加工测试在16GHz取得了26.9dBi增益与64%口径效率，并取得了14%的1dB增益带宽以及低于-45dB的交叉极化电平。

该设计的测试与仿真结果基本吻合，验证了该设计的可行性与出色性能。

基于复合左右手传输线结构的新型多频、小型化天线研究一、本文概述随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能对整体系统的传输效率和稳定性起着至关重要的作用。

近年来，多频、小型化天线因其能满足现代无线通信系统对频带宽度和集成度的高要求，逐渐成为天线研究领域的热点。

复合左右手传输线结构（Composite Right/Left-Handed, CRLH）作为一种新型的人工电磁媒质，具有独特的电磁特性，为实现多频、小型化天线提供了新的思路。

本文旨在研究基于复合左右手传输线结构的新型多频、小型化天线。

我们将对复合左右手传输线结构的基本原理和特性进行深入分析，探讨其在天线设计中的应用潜力。

通过理论分析和仿真实验，研究基于CRLH结构的多频、小型化天线的设计方法，分析不同参数对天线性能的影响。

在此基础上，提出一种新型的基于CRLH结构的多频、小型化天线设计方案，并对其性能进行仿真验证。

我们将通过实验测试验证所设计天线的性能，并与现有技术进行对比分析，评估其在实际应用中的优势。

本文的研究不仅有助于推动多频、小型化天线技术的发展，为现代无线通信系统的性能提升提供有力支持，同时也为复合左右手传输线结构在天线设计领域的应用拓展新的思路和方法。

二、复合左右手传输线结构（CRLH-TL）概述复合左右手传输线结构（Composite Right/Left-Handed Transmission Line，CRLH-TL）是一种人工设计的传输线结构，通过周期性地在传输线上加载集总元件（如电容、电感等），使得传输线同时展现出左手材料（Left-Handed Material，LHM）和右手材料（Right-Handed Material，RHM）的特性。

这种独特的结构为电磁波的传播提供了新的可能性，使得天线设计者在追求多频、小型化的目标上取得了显著的突破。

在CRLH-TL中，左手材料和右手材料的结合使得电磁波的传播常数β和相位常数k不再是单一的正值或负值，而是可以根据需要设计为正值、负值或零。

基于CRLH结构的小型超宽带滤波器褚庆昕;黄健全;刘传运【摘要】A compact ultra wide band(UWB)band-pass filter was proposed using only one unit cell of composite left/right-handed (CRIH) structure. In the unit cell, the surface-to-surface coupling between metal plate and the signal line of coplanar waveguide was used to generate the series capacitance and the high impedance meander lines to provide shunt inductance. A cross-coupled capacitance was introduced to create three controllable transmission-zeros. The proposed filter exhibited an insertion loss less than 1.5 dB in the UWB pass-band with a compact size. Besides, both a flat group delay in the pass-band and a steep roll-off near the pass-band were observed, and a rejection level higher than 20 dB was obtained at the stop-band from 11.95-16 GHz.%提出一种基于新型复合左右手(CRLH)结构的小型超宽带带通滤波器.CRLH结构的串联电容和并联电感分别由平板电容和短路支节线产生.单元内部存在交叉耦合,调整交叉耦合电容,单元电路可产生3个可控的传输零点,形成具有良好选择性的超宽带带通滤波器.由于仅采用一个CRLH结构单元,滤波器具有较小的尺寸和通带插损(1.5dB);带内群延时较为平坦,同时滤波器在11.95～16GHz的阻带范围内传输抑制大于20dB.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2011(044)004【总页数】5页(P359-363)【关键词】共面波导;交叉耦合;复合左右手;带通滤波器;超宽带【作者】褚庆昕;黄健全;刘传运【作者单位】华南理工大学电子与信息学院,广州510640;华南理工大学电子与信息学院,广州510640;华南理工大学电子与信息学院,广州510640【正文语种】中文【中图分类】TN04;TN713.5超宽带无线技术具有高数据传输率、低发射功率及简单的码率差错控制等优势，已广泛应用于近距离高速无线通信．超宽带带通滤波器作为建立超宽带电路和系统的关键器件之一，要求在 3.1～10.6,GHz的通带内插损小、群延时平坦，具有良好的高低端频率选择性及带外抑制能力．近年来，各种类型的超宽带(ultra wide band，UWB)带通滤波器(band-pass filter，BPF)得以提出[1-9]．高通滤波器与低通滤波器级联实现的超宽带滤波器[1]具有很好的带外抑制能力，但往往尺寸较大；文献[2]提出了一种准集总元件实现的超宽带带通滤波器，带内插损及占用电路面积较小，同时具有较宽的高端阻带；采用各种多模谐振器设计超宽带带通滤波器为近期的研究热点[3-7]，这类滤波器具有较长的传输线结构，带内会产生多个传输极点，插损较小，但其高端阻带较窄；还有其他方式可以实现超宽带带通滤波器，如多层宽耦合结构[8]、带缺陷地的平行耦合结构[9]等．与传统右手传输线相比，采用复合左右手(composite left/right-handed，CRLH)结构来设计带通滤波器，能大大减小器件尺寸，增加带宽[10]．但为了获得较好的选择性，一般需将多个 CRLH单元级联，这样会增加滤波器的带内插损．在文献[11]中，采用 2个 CRLH单元设计了一系列超宽带带通滤波器，测试相对带宽达到了72%，带内测试插损约为2.6,dB．本文提出的超宽带滤波器仅采用一个 CRLH结构单元，该CRLH单元的串联电容和并联电感分别由面面耦合[12]的平板电容和短路支节线形成．单元内存在交叉耦合，适当调整交叉耦合电容及左右手参数，将产生3个可控传输零点，实现具有良好选择性的超宽带带通滤波器．实际制作的滤波器结构紧凑，尺寸为0.47λ0×0.28 λ0(λ0为滤波器中心频率6.85,GHz 的导波长)；3.1～10.6,GHz的带内测试插损小于 1.5,dB；同时具有较宽的高端阻带及平坦的带内群延时．1 滤波器设计1.1 CRLH单元特性本文提出的超宽带滤波器电路结构如图 1(a)～(c)所示．CRLH 单元等效集总电路由串联电容 CL、并联电感 LL构成，单元的寄生效应则等效为并联电容CR和串联电感 LR，与传统的 CRLH 结构不同的是，在单元内部引入了交叉耦合电容 Cg，如图 2所示．图1 超宽带滤波器电路结构Fig.1 Schematics of the proposed UWB BPF图2 CRLH单元等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit model of the CRLH unit cell根据Bloch理论，由该单元周期性构成的CRLH传输线(transmission line，TL)的传播特性可以表示[13]为式中：γ为传播常数；ω为工作频率；p为CRLH单元长度；A为CRLH单元对应的传输函数矩阵第一元素，即由图3所示的CRLH单元的色散及衰减特性可见，交叉耦合电容的引入对于CRLH单元的左手通带基本没有影响，但会明显增加其右手通带的相移．同时，右手通带带宽也随着Cg增加而减小．图3 不同交叉耦合电容下CRLH单元的色散及衰减特性Fig.3 Dispersions and attenuations diagram with various Fig.3 cross-coupled capacitances for the CRLH unit由该单元电路的对称性，可采用奇偶模法分析CRLH 单元的传输零点[2]．其偶模、奇模阻抗分别为式中 Z0为端口阻抗．当 S21＝0时，可由式(5)求出相应的传输零点．如图 4所示，交叉耦合电容 Cg在低端会引入一个传输零点，当 Cg增加时，该传输零点会略向高端移动．而在Cg取值得当时，同时会在高端产生2个传输零点，形成高端阻带．图4 CRLH单元的插损随交叉耦合电容的变化趋势Fig.4 Insertion loss of the CRLH unit cell with various Fig.4 cross-coupled capacitances当其他元件不变，CL、LL按一定比值增加时，3个传输零点会同时由高端向低端移动．图5为超宽带滤波器在 Cg＝0.35 pF、LR＝1.254 nH、CR＝0.337 pF 的情况下，传输零点随CL、LL的变化趋势．图5 CL、LL按固定比值变化时CRLH单元传输零点的变化曲线Fig.5 Curves to relate the transmission-zeros to the value of Fig.5 CLand LLwith fixed ration of CL/LL而当CR、LR按固定比值增加时，高端的2个传输零点将由高端向低端移动，二者相互靠近最后合为一点，高端阻带变窄．与此同时，低端的传输零点基本保持不变．图 6为超宽带滤波器在 CL＝0.32,pF、LL＝1.728,nH 及 Cg为不同的值时，传输零点随 CR、LR的变化趋势．由上可知，由于存在交叉耦合，适当调整该CRLH单元的左、右手参数及交叉耦合电容，可以使CRLH单元形成3个可控的传输零点，实现具有良好选择性的超宽带滤波器．其中低端截止频率主要由左手参数 CL、LL控制，在确定低端截止频率后，可通过调整其他参数改变高端截止频率，使滤波器中心频率及带宽满足设计要求．图6 CR、LR按固定比值变化时CRLH单元传输零点图6 的变化曲线Fig.6 Curves to relate the transmission-zeros to the value of CRand LRwith fixed ration of CR/LR1.2 超宽带滤波器设计新型超宽带滤波器仅采用一个 CRLH 单元，结构如图 1所示，由一段中间分割的共面波导、另一面与之正对的金属板以及连接金属板与地之间的短路支节线构成．共面波导中间的导体板和与之正对的金属板之间的面面耦合形成串联电容CL，可由电路基板材质及正对面积决定；短路支节线形成并联电感LL，主要决定于支节线阻抗及电长度；单元的寄生效应则等效为并联电容 CR和串联电感 LR，可由共面波导的特性阻抗及电长度估算；而被分割的共面波导之间的交叉耦合电容为Cg．因此由 CRLH 单元参数可估算滤波器的电路尺寸初值．图7 w5和w6对滤波器带宽的影响Fig.7 Effect of w5and w6on band-width of BPF超宽带滤波器采用介质基板相对介电常数εr＝2.55，损耗正切tan δ＝0.001 9，厚度 h＝0.8,mm．如图7所示，当 w5由小变大，其通带变宽，且中心频率略往低端移动；当 w6由小变大，滤波器带宽明显增加，同时低端传输零点略往高端移动；w4由大变小时，滤波器带宽基本不变，而选择性有所改善，高端阻带抑制水平则略有下降，如图8所示．图8 w4对滤波器选择性的影响Fig.8 Effect of w4on selectivity of BPF2 滤波器制作与测量通过Ansoft HFSS软件优化，滤波器尺寸最后选择为 s1＝0.22,mm，s2＝0.87,mm，w1＝4.5,mm，w2＝3.2,mm，w3＝0.22,mm，w4＝4,mm，w5＝0.7 mm，w6＝4,mm，l1＝2.5,mm及l2＝15,mm．所制作的滤波器实物如图9所示．滤波器的全波及集总等效电路模型仿真结果如图10所示．其中集总等效电路的参数为：CL＝0.32,pF，LL＝1.728,nH，CR＝0.38,pF，LR＝1.254,nH，Cg ＝0.337 pF．图9 超宽带滤波器制作实物Fig.9 Photograph of the fabricated UWB BPF图10 超宽带滤波器集总等效电路、全波仿真和测试结果Fig.10 Frequency responses of simulation in full-wave and Fig.10 equivalent circuit model and measurement of the Fig.10 fabricated UWB BPF滤波器测试采用安捷伦 N5230矢量网络分析仪，测试结果同时绘于图 10．集总等效电路、全波仿真和测试结果吻合良好；滤波器具有良好的选择性，其选择特性大于±20,dB/GHz；在3.1～10.6 GHz的通带范围内，测试插损小于 1.5,dB，略大于仿真结果，这主要是测试所用的 SMA转接头引入的损耗；反射损耗大于17,dB，滤波器与端口匹配良好．在 11.95～16.00 GHz的阻带范围内，传输抑制大于20 dB，具有较好的带外抑制能力；而在加上滤波器两端的传输线及 SMA转接头的延时，带内的群延时小于 0.85 ns，群延时变化小于0.36,ns，平坦的群延时确保超宽带信号经过滤波器后失真较小．3 结语本文提出了一种基于CRLH结构的超宽带滤波器，在保证选择性的前提下，由于仅采用一个CRLH单元，滤波器具有小尺寸(0.47,λ0×0.28,λ0)、低插损(小于1.5,dB)的特点．仿真和测试结果同时表明，该滤波器具有较好的带外抑制能力．【相关文献】［1］ Lin Y S，Ku W C，Wang C H，et al. Wideband coplanarwaveguide bandpass filters with good stopband rejection[J]. IEEE Microw Wireless Compon Lett，2004，14(9)：422-424.［2］ Kuo T N，Lin S C，Chen C H. Compact ultra-wideband bandpass filters using composite microstrip-coplanarwaveguide structure[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54(10)：3772-3778.［3］ Li R，Zhu L. Compact UWB bandpass filter using stubloaded multiple-mode resonator[J]. IEEE Microw Wireless Compon Lett，2007，17(1)：40-42.［4］ Sun S，Zhu L. Capacitive-ended interdigital coupled lines for UWB bandpass filters with improved out-of-band performances[J]. IEEE Microw Wireless Compon Lett，2006，16(8)：440-442.［5］ Thomson N，Hong J. Compact ultra-wideband microstrip/coplanar waveguide bandpass filter[J]. IEEE Microw Wireless Compon Lett，2007，17(3)：184-186.［6］ Chen Y C，Lee C H，Hsu C I G. A compact CPW-fed UWB BPF using combined microstrip SIR[J]. IEEE Microw and Optical Tech Lett，2009，5(4)：918-921.［7］ Yao B Y，Zhou Y G，Cao Q S，et al. Compact UWB bandpass filter with improved upper-stopband performance[J]. IEEE Microw and Optical Tech Lett，2009，19(1)：27-29. ［8］ Abbosh A M. Planar bandpass filters for ultra-wideband applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55(10)：2262-2269.［9］ Chen P，Wei F，Shi X W，et al. A compact ultra-wideband band-pass filter with defected ground structure[J]. IEEE Microw and Optical Tech Lett，2009，51(4)：979-981. ［10］ Lai A，Itoh T，Caloz C. Composite right/left-handed transmission line metamaterials[J]. IEEE Microwave Magazine，2004，5(3)：34-50．［11］ Lin Xianqi，Ma Huifeng，Bao Di，et al. Design and analysis of super-wide bandpass filters using a novel compact meta-structure[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55(4)：747-753.［12］ Zhu L，Menzel W. Broad-band microstrip-to-CPW transition via frequency-dependent electromagnetic coupling[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52(5)：1517-1522.［13］ Caloz C，Itoh T. Electromagnetic Metamaterials：Transmission Line Theory and Microwave Applications[M].New York：Wiley，2005：60.。

基于CRLHTL的蘑菇型宽带小型化天线设计曹卫平;邵金华;李贝贝【摘要】针对传统蘑菇型CRLH(composite right/left-handed)微带天线带宽窄的问题，设计了一种基于 CRLH TL 的蘑菇型宽带小型化天线，并使用三维全波电磁仿真软件CST就接地板对微带天线电性能的影响进行了数值分析。

仿真和实测结果表明，该天线在 Wi-Fi和 WiMAX频段呈现良好的全向辐射特性，相对带宽达到82%(S11≤-10 dB)。

%A broadband miniaturization antenna for Wi-Fi and WiMAX is designed to solve the problem of narrow bandwidth for the conventional mushroom microstrip antenna based on CRLH transmission line.And the influence of ground plate on the electric performance of microstrip antenna is analyzed by CST software.The simulation and testing results show that the antenna has a good omnidirectional radiation performance for Wi-Fi and WiMAX and is well matched with a 82% relative impedance bandwidth (S11≤-10 dB).【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P188-191)【关键词】蘑菇型;宽带天线;CRLH;相对带宽【作者】曹卫平;邵金华;李贝贝【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004; 桂林电子科技大学认知无线电与信息处理重点实验室，广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004【正文语种】中文【中图分类】TN929.5随着无线通信的迅猛发展，对智能化、便携式、大容量移动通信终端的需求量越来越大。

一种基于CRLH传输线的圆极化微带天线
周成;耿林;梁建刚
【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(000)003
【摘要】提出了一种利用复合左右手传输线(CRLH TL)来设计小型圆极化贴片天线的方法。

采用在天线地板刻蚀逆开口谐振环(CSRR)实现并联电感以及在贴片中央开槽实现串联电容。

由于CSRR能够有效降低+1阶模式谐振频率,因此,可以缩小天线电尺寸。

同时,由于 CSRR 的不对称性产生的寄生模式与+1阶模式相互正交,通过调整贴片中央的圆形宽缝可以使二者幅度相等,故而形成圆极化辐射。

实验结果表明：该圆极化天线电尺寸为0.389λg×0.389λg,阻抗带宽和轴比带宽分别为16.08%和1.52%,该天线用50Ω微带线直接馈电,不需要阻抗变换线和接地过孔,易于设计加工。

【总页数】4页(P37-40)
【作者】周成;耿林;梁建刚
【作者单位】空军工程大学防空反导学院，陕西西安，710051;空军工程大学防空反导学院，陕西西安，710051;空军工程大学防空反导学院，陕西西安，710051【正文语种】中文
【中图分类】TN81
【相关文献】
1.一种基于负折射电路的宽带圆极化微带天线 [J], 项阳;钱祖平;施伟;吴保中
2.基于CRLH传输线的微带漏波天线的研究与设计 [J], 熊鑫;余利华;戴亚文;吴延超
3.一种双圆极化微带天线阵列的设计 [J], 赵东贺;吴旭;韩国栋
4.基于CRLH的小型化三频LTE微带天线设计 [J], 杨波;孟庆东
5.基于北斗卫星导航系统的一种圆极化微带天线 [J], 田晓青;刘少斌;张学勇;周良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。