论文部分内容阅读
摘要 负μ传输线是一种通过串联电容加载来获得等效负磁导率的人工电磁材料，利用其零传播常数的性质，可以设计具有无限大波长且谐振频率与尺寸无关的谐振器，从而实现天线的小型化和宽带化.本文以基于分段线结构的负μ传输线为例，分别设计了具有宽带特性的电偶极子和环天线.测试结果表明长度为107 mm （1.03λ0@ 2.9 GHz）的电偶极子可获得的阻抗带宽约为1.4 GHz （2.2～3.6 GHz，48%），并且该天线在工作带宽内具有稳定的E面方向图.直径为52 mm（0.5λ0@2.9 GHz）的环天线可获得的阻抗带宽约为1 GHz （2.4～3.4 GHz，34%），并且环上具有均匀的电流分布，从而具有磁偶极子的辐射特性.测试和仿真结果吻合较好.
关键词负μ传输线;电偶极子;环天线;宽频带
中图分类号TN822;TN823
文献标志码A
0 引言
宽带、密集大规模MIMO（多输入输出）技术的发展对无线通信系统中天线的小型化和宽带化提出了更高的要求，因此在保持天线良好的辐射特性的同时有效地降低尺寸、提高带宽成为天线设计中的重要问题.通过在传统的传输线中加载串联电容和并联电感可以获得具有左手性质的复合左右手传输线 （CRLH-TL），利用CRLH-TL可获得传播常数为零而群速度不为零的性质，可以设计具有无限大波长且谐振频率与尺寸无关的谐振器，从而实现天线的小型化[1-3].此外，利用其零相移和均匀电流分布的性质还可以控制天线的辐射特性并增加带宽.
负μ（Mu-negative，MNG）传输线是一种具有等效负磁导率的人工电磁材料，通过加载串联电容来实现零传播常数特性.由于去掉了CRLH-TL中的并联电感，因此有利于在高频应用中的实现.负μ传输线可以通过在传输线上周期性地加载电容来减少电流的相位滞后，使传输线上的电流相位和方向保持不变，并且获得近似均匀的分布，此性质在近场[4-7]和远场[8]通信的环天线和偶极子天线设计中都得到了广泛的应用.通过在环上非周期地加载MNG单元结构，还可以进一步对其电流分布和辐射的方向性进行控制[9].此外，基于负μ传输线的天线还具有较好的效率、增益和带宽等特性，并且可以很方便地实现双频带设计[10-11].基于负μ传输线的电偶极子天线与传统相同尺寸的电偶极子天线相比，可以获得更大的带宽，并且具有稳定的E面方向图[12]，但在这方面的设计尚不多见.
为了进一步研究负μ传输线在电偶极子和环天线设计中的应用潜力，本文以基于分段线的负μ传输线为例，分别设计了一种电偶极子天线和环天线，对其带宽和辐射特性进行了研究.仿真和实验结果表明，基于分段线结构的负μ传输线对实现电流均匀分布和减少相位滞后有很好的效果.基于分段线结构的长度为107 mm（1.03λ0@2.9 GHz）的电偶极子可以获得的阻抗带宽约为1.4 GHz（2.2～3.6 GHz，48%），并且该天线在工作带宽内具有稳定的E面方向图.基于分段线结构直径为52 mm（0.5λ0@2.9 GHz）的环天线可获得的阻抗带宽约为1 GHz （2.4～3.4 GHz，34%），并且由于其表面电流接近均匀分布，辐射特性可以等效为磁偶极子.测试和仿真结果吻合较好，仿真和设计基于HFSS软件.
1 基于分段线结构的电偶极子设计
基于分段线的电偶极子结构如图1所示.其基本单元由一段宽为w2的传输线外加一个内插耦合的电容负载结构组成，整个天线由6个基本单元和一段共面的平行传输线作为阻抗匹配线构成.介质基板采用介电常数为4.4，厚度为0.8 mm的FR4.lg和wg分别表示介质基板的长和宽，lp和wp为平行传输线的长和宽，ga为偶极子两支节之间的间隔，其整个结构沿z轴放置，E面为yz面，H面为xy面[13].
优化后的电偶极子的详细参数如表1所示.
此天线的长度为107 mm，如果天线工作在2.2 GHz，其整个物理长度相当于0.78个波长，若工作在3.5 GHz，则相当于1.25个波长，一般电偶极子在其长度超过半个波长时，会出现除两端的电流零点之外的电流零点.在图2中对所设计的基于分段线的电偶极子和相同尺寸的传统电偶极子的电流分布进行了比较（频率2.4 GHz）.从图2a中可见，基于分段线的电偶极子的表面电流是同向的，且只有在两端的电流值为0.从图2b中可见，相同长度的传统电偶极子的电流方向会改变，并且会出现更多零点.
在图3中对以上两种电偶极子E面方向图进行了比较，给出了工作频率从2.0～3.5 GHz变化时的结果.从图3中可见，对于不同的工作频率，基于分段线结构的电偶极子的E面方向图近似保持不变，而传统的偶极子天线的E面方向图在不同频率时变化很大.这个结果与天线上的电流分布相对应.
2 基于分段线结构的环天线设计
基于分段线的环天线结构如图4所示，其直径为52 mm，若工作频率为2.4 GHz，该天线的周长约为1.1个波长.其基本结构是在一段圆弧线上进行周期分割，其中去掉的圆弧弧度为3°，整个单元的弧度为45°，意味着整个圆周由8个基本单元组成.外环的单元与内环有着一样的弧度，和内环相比，外环整个结构顺时针旋转22.5°，其中一段平行传输线是天线的阻抗匹配电路，同时也是一种平衡与不平衡转換结构，外接激励.
在图5中对所设计的基于分段线的环天线和相同尺寸的金属环天线的电流分布进行了比较（频率2.4 GHz）.由图5a可以看出，基于分段线的环天线上整个电流都是逆时针同向的，且具有接近均匀的分布，说明该结构可以减少电流相位滞后，保证了电流在电大尺寸上同向流动，不会出现电流零点.由天线理论可知，由于表面电流均匀分布，其辐射特性可以等效为磁偶极子天线.但是，图5b中的全金属环天线上电流方向会发生改变，并且强度变化范围较大，因此辐射特性与磁偶极子差距较大. 在圖6中对以上两种环天线的E面方向图进行了比较，给出了工作频率从2.5～3.5 GHz变化时的结果.由图6可知，在2.5 GHz时，全金属环天线的E面方向图会出现一定的方向性，而基于分段线结构的环天线的E面方向图更接近圆形，从而具有更好的全向辐射特性.在其他频率，由于电流分布的变化，分段线环天线的方向图会有所改变.
3 测试结果
3.1 基于分段线结构的电偶极子
设计的电偶极子加工实物如图7所示.馈电端接SMA接头，测得的S参数如图8所示.设计的阻抗匹配带宽（|S11|<-10 dB）为1.34 GHz （2.16～3.5 GHz），其相对带宽可以达到47%.实际测量的阻抗匹配带宽为1.4 GHz （2.22～3.62 GHz），相对带宽为48%，仿真和测量结果基本吻合.
天线的E面和H面方向由图9给出，从图9中可以看到主极化分量的测试和仿真结果很接近，其在E面上是倒8字图案，而在H面上接近一个圆，表明它在水平方向上也是水平全向辐射.交叉极化的测量值和仿真值有较大的误差，主要是测试时被测试的天线极化方向和发射端的标准增益的喇叭天线的极化并非完全正交，以及测试台的电缆过长等原因造成的.
3.2 基于分段线结构的环天线
基于分段线结构的环天线加工实物如图10所示，测得的S参数如图11所示，并与仿真结果进行了对比.天线阻抗匹配带宽（|S11|<-10 dB）的仿真结果为2.3～3.1 GHz，相对带宽可以达到30%，测试结果为2.4～3.4 GHz，相对带宽可以达到34%.测试和仿真曲线有少许偏差，是由于加工以及测量误差引起的，在可接受范围内.
仿真和测试的E面和H面方向如图12所示.E面的主极化分量近似一个圆，表明其在水平面是全向辐射的，其交叉极化均小于-20 dB.H面的方向图接近倒8字，在主瓣方向，其-3 dB波束宽度的交叉极化小于-10 dB，测试的方向图与理论仿真值较为接近.
4 结束语
利用零传播常数特性，本文以基于分段线的负μ传输线为例，分别设计了一种电偶极子天线和环天线.仿真和测试结果表明，周期分布的分段线结构可以减少电流相位滞后，有利于实现宽带的电偶极子和环天线设计.此外，所设计的电偶极子在工作带宽内具有稳定的E面方向图，环天线具有接近磁偶极子的全向辐射特性.
参考文献References
[1] Lee C J，Leong K M K H，Itoh T.Composite right/left-handed transmission line based compact resonant antennas for RF module integration[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54（8）：2283-2291
[2] Lee J G，Lee J H.Zeroth order resonance loop antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2007，55（3）：994-997
[3] Jang T，Choi J，Lim S.Compact coplanar waveguide （CPW）-fed zeroth-order resonant antennas with extended bandwidth and high efficiency on vialess single layer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59（2）：363-372
[4] Qing X，Goh C K，Chen Z N.Segmented loop antenna for UHF near-field RFID applications[J].Electronics Letters，2009，45（17）：872-873
[5] Shi J，Qing X M，Chen Z N.Electrically large zero-phase-shift line grid-array UHF near-field RFID reader antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（4）：2201-2208
[6] Chen Z N，Qing X M，Shi J，et al.Review of zero-phase-shift-line loop antennas for UHF near-field RFID readers[J].IEEE Journal of Radio Frequency Identification，2017，1（4）：245-252
[7] 黄承，王橙，王贵，等.基于分段线电大尺寸偶极子的特高频近场射频识别阅读器天线[C]∥全国微波毫米波会议，2017
HUANG Cheng，WANG Cheng，WANG Gui，et al.UHF near field RFID reader antenna based on electrically large segmented dipole[C]∥National Microwave Millimeter Wave Conference，2007
[8] Wei K P，Zhang Z J，Feng Z H.Design of a wide band horizontally polarized omnidirectional printed loop antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11：49-52
[9] Antoniades M A，Rezaeieh S A，Abbosh A M.Bandwidth and directivity enhancement of metamaterial-loaded loop antennas for microwave imaging applications[C]∥International Workshop on Antenna Technology：Small Antennas.IEEE，2017
[10] Park J H，Ryu Y H，Lee J H.Mu-zero resonance antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（6）：1865-1875
[11] Simorangkir R B V B，Lee Y.A planar dual-band periodic leaky-wave antenna based on a mu-negative （MNG） transmission line[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（5）：2370-2374
[12] Wei K P，Zhang Z J，Feng Z H，et al.A wide band MNG-TL dipole antenna with stable radiation patterns[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61（5）：2418-2424
[13] Jia X，Piao D.A wide band segmented line dipole antenna with stable radiation patterns[C]∥International Symposium on Antennas.IEEE，2017
关键词负μ传输线;电偶极子;环天线;宽频带
中图分类号TN822;TN823
文献标志码A
0 引言
宽带、密集大规模MIMO（多输入输出）技术的发展对无线通信系统中天线的小型化和宽带化提出了更高的要求，因此在保持天线良好的辐射特性的同时有效地降低尺寸、提高带宽成为天线设计中的重要问题.通过在传统的传输线中加载串联电容和并联电感可以获得具有左手性质的复合左右手传输线 （CRLH-TL），利用CRLH-TL可获得传播常数为零而群速度不为零的性质，可以设计具有无限大波长且谐振频率与尺寸无关的谐振器，从而实现天线的小型化[1-3].此外，利用其零相移和均匀电流分布的性质还可以控制天线的辐射特性并增加带宽.
负μ（Mu-negative，MNG）传输线是一种具有等效负磁导率的人工电磁材料，通过加载串联电容来实现零传播常数特性.由于去掉了CRLH-TL中的并联电感，因此有利于在高频应用中的实现.负μ传输线可以通过在传输线上周期性地加载电容来减少电流的相位滞后，使传输线上的电流相位和方向保持不变，并且获得近似均匀的分布，此性质在近场[4-7]和远场[8]通信的环天线和偶极子天线设计中都得到了广泛的应用.通过在环上非周期地加载MNG单元结构，还可以进一步对其电流分布和辐射的方向性进行控制[9].此外，基于负μ传输线的天线还具有较好的效率、增益和带宽等特性，并且可以很方便地实现双频带设计[10-11].基于负μ传输线的电偶极子天线与传统相同尺寸的电偶极子天线相比，可以获得更大的带宽，并且具有稳定的E面方向图[12]，但在这方面的设计尚不多见.
为了进一步研究负μ传输线在电偶极子和环天线设计中的应用潜力，本文以基于分段线的负μ传输线为例，分别设计了一种电偶极子天线和环天线，对其带宽和辐射特性进行了研究.仿真和实验结果表明，基于分段线结构的负μ传输线对实现电流均匀分布和减少相位滞后有很好的效果.基于分段线结构的长度为107 mm（1.03λ0@2.9 GHz）的电偶极子可以获得的阻抗带宽约为1.4 GHz（2.2～3.6 GHz，48%），并且该天线在工作带宽内具有稳定的E面方向图.基于分段线结构直径为52 mm（0.5λ0@2.9 GHz）的环天线可获得的阻抗带宽约为1 GHz （2.4～3.4 GHz，34%），并且由于其表面电流接近均匀分布，辐射特性可以等效为磁偶极子.测试和仿真结果吻合较好，仿真和设计基于HFSS软件.
1 基于分段线结构的电偶极子设计
基于分段线的电偶极子结构如图1所示.其基本单元由一段宽为w2的传输线外加一个内插耦合的电容负载结构组成，整个天线由6个基本单元和一段共面的平行传输线作为阻抗匹配线构成.介质基板采用介电常数为4.4，厚度为0.8 mm的FR4.lg和wg分别表示介质基板的长和宽，lp和wp为平行传输线的长和宽，ga为偶极子两支节之间的间隔，其整个结构沿z轴放置，E面为yz面，H面为xy面[13].
优化后的电偶极子的详细参数如表1所示.
此天线的长度为107 mm，如果天线工作在2.2 GHz，其整个物理长度相当于0.78个波长，若工作在3.5 GHz，则相当于1.25个波长，一般电偶极子在其长度超过半个波长时，会出现除两端的电流零点之外的电流零点.在图2中对所设计的基于分段线的电偶极子和相同尺寸的传统电偶极子的电流分布进行了比较（频率2.4 GHz）.从图2a中可见，基于分段线的电偶极子的表面电流是同向的，且只有在两端的电流值为0.从图2b中可见，相同长度的传统电偶极子的电流方向会改变，并且会出现更多零点.
在图3中对以上两种电偶极子E面方向图进行了比较，给出了工作频率从2.0～3.5 GHz变化时的结果.从图3中可见，对于不同的工作频率，基于分段线结构的电偶极子的E面方向图近似保持不变，而传统的偶极子天线的E面方向图在不同频率时变化很大.这个结果与天线上的电流分布相对应.
2 基于分段线结构的环天线设计
基于分段线的环天线结构如图4所示，其直径为52 mm，若工作频率为2.4 GHz，该天线的周长约为1.1个波长.其基本结构是在一段圆弧线上进行周期分割，其中去掉的圆弧弧度为3°，整个单元的弧度为45°，意味着整个圆周由8个基本单元组成.外环的单元与内环有着一样的弧度，和内环相比，外环整个结构顺时针旋转22.5°，其中一段平行传输线是天线的阻抗匹配电路，同时也是一种平衡与不平衡转換结构，外接激励.
在图5中对所设计的基于分段线的环天线和相同尺寸的金属环天线的电流分布进行了比较（频率2.4 GHz）.由图5a可以看出，基于分段线的环天线上整个电流都是逆时针同向的，且具有接近均匀的分布，说明该结构可以减少电流相位滞后，保证了电流在电大尺寸上同向流动，不会出现电流零点.由天线理论可知，由于表面电流均匀分布，其辐射特性可以等效为磁偶极子天线.但是，图5b中的全金属环天线上电流方向会发生改变，并且强度变化范围较大，因此辐射特性与磁偶极子差距较大. 在圖6中对以上两种环天线的E面方向图进行了比较，给出了工作频率从2.5～3.5 GHz变化时的结果.由图6可知，在2.5 GHz时，全金属环天线的E面方向图会出现一定的方向性，而基于分段线结构的环天线的E面方向图更接近圆形，从而具有更好的全向辐射特性.在其他频率，由于电流分布的变化，分段线环天线的方向图会有所改变.
3 测试结果
3.1 基于分段线结构的电偶极子
设计的电偶极子加工实物如图7所示.馈电端接SMA接头，测得的S参数如图8所示.设计的阻抗匹配带宽（|S11|<-10 dB）为1.34 GHz （2.16～3.5 GHz），其相对带宽可以达到47%.实际测量的阻抗匹配带宽为1.4 GHz （2.22～3.62 GHz），相对带宽为48%，仿真和测量结果基本吻合.
天线的E面和H面方向由图9给出，从图9中可以看到主极化分量的测试和仿真结果很接近，其在E面上是倒8字图案，而在H面上接近一个圆，表明它在水平方向上也是水平全向辐射.交叉极化的测量值和仿真值有较大的误差，主要是测试时被测试的天线极化方向和发射端的标准增益的喇叭天线的极化并非完全正交，以及测试台的电缆过长等原因造成的.
3.2 基于分段线结构的环天线
基于分段线结构的环天线加工实物如图10所示，测得的S参数如图11所示，并与仿真结果进行了对比.天线阻抗匹配带宽（|S11|<-10 dB）的仿真结果为2.3～3.1 GHz，相对带宽可以达到30%，测试结果为2.4～3.4 GHz，相对带宽可以达到34%.测试和仿真曲线有少许偏差，是由于加工以及测量误差引起的，在可接受范围内.
仿真和测试的E面和H面方向如图12所示.E面的主极化分量近似一个圆，表明其在水平面是全向辐射的，其交叉极化均小于-20 dB.H面的方向图接近倒8字，在主瓣方向，其-3 dB波束宽度的交叉极化小于-10 dB，测试的方向图与理论仿真值较为接近.
4 结束语
利用零传播常数特性，本文以基于分段线的负μ传输线为例，分别设计了一种电偶极子天线和环天线.仿真和测试结果表明，周期分布的分段线结构可以减少电流相位滞后，有利于实现宽带的电偶极子和环天线设计.此外，所设计的电偶极子在工作带宽内具有稳定的E面方向图，环天线具有接近磁偶极子的全向辐射特性.
参考文献References
[1] Lee C J，Leong K M K H，Itoh T.Composite right/left-handed transmission line based compact resonant antennas for RF module integration[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54（8）：2283-2291
[2] Lee J G，Lee J H.Zeroth order resonance loop antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2007，55（3）：994-997
[3] Jang T，Choi J，Lim S.Compact coplanar waveguide （CPW）-fed zeroth-order resonant antennas with extended bandwidth and high efficiency on vialess single layer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59（2）：363-372
[4] Qing X，Goh C K，Chen Z N.Segmented loop antenna for UHF near-field RFID applications[J].Electronics Letters，2009，45（17）：872-873
[5] Shi J，Qing X M，Chen Z N.Electrically large zero-phase-shift line grid-array UHF near-field RFID reader antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（4）：2201-2208
[6] Chen Z N，Qing X M，Shi J，et al.Review of zero-phase-shift-line loop antennas for UHF near-field RFID readers[J].IEEE Journal of Radio Frequency Identification，2017，1（4）：245-252
[7] 黄承，王橙，王贵，等.基于分段线电大尺寸偶极子的特高频近场射频识别阅读器天线[C]∥全国微波毫米波会议，2017
HUANG Cheng，WANG Cheng，WANG Gui，et al.UHF near field RFID reader antenna based on electrically large segmented dipole[C]∥National Microwave Millimeter Wave Conference，2007
[8] Wei K P，Zhang Z J，Feng Z H.Design of a wide band horizontally polarized omnidirectional printed loop antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11：49-52
[9] Antoniades M A，Rezaeieh S A，Abbosh A M.Bandwidth and directivity enhancement of metamaterial-loaded loop antennas for microwave imaging applications[C]∥International Workshop on Antenna Technology：Small Antennas.IEEE，2017
[10] Park J H，Ryu Y H，Lee J H.Mu-zero resonance antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（6）：1865-1875
[11] Simorangkir R B V B，Lee Y.A planar dual-band periodic leaky-wave antenna based on a mu-negative （MNG） transmission line[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（5）：2370-2374
[12] Wei K P，Zhang Z J，Feng Z H，et al.A wide band MNG-TL dipole antenna with stable radiation patterns[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61（5）：2418-2424
[13] Jia X，Piao D.A wide band segmented line dipole antenna with stable radiation patterns[C]∥International Symposium on Antennas.IEEE，2017