CN106571517A - 一种基于超材料结构的微小型平面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微小型平面天线制作技术领域，一种基于超材料结构的微小型平面天线，其特征在于：所述天线采用工作于1～5GHz 的谐振型超材料，天线的辐射贴片为圆形三开口谐振环超材料结构，所述结构整体是一个中间带有竖臂的圆环，在圆环的右上侧、左下侧以及中间竖臂的下侧开有缝隙；天线的尺寸参数如下：圆环外半径=8mm，馈线宽度=2.1mm，圆环中心与PCB板下边缘距离=13mm，圆环宽度=1.9mm，竖臂下侧缝隙与圆环中心的距离=5.5mm，圆环左下侧缝隙的宽度=0.2mm，竖臂下侧缝隙的宽度=0.1mm，圆环右上侧缝隙的宽度=0.3mm，背面接地板的宽度=3mm；具有良好的辐射特征和较高的增益。

Description

一种基于超材料结构的微小型平面天线
技术领域
本发明涉及微小型平面天线制作技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于超材料结构的微小型平面天线。
背景技术
无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地协作地监测、感知和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，提供海量的详细测量数据，并对数据进行处理，发布给观察者。WSN应用的无线通信技术通常包括ZigBee(2.4GHz)、Bluetooth(2.4GHz)、UWB(3.1～10.6GHz)、RFID(50kHz～5.8GHz)等。
随着无线通信技术的快速发展，WSN节点对其通信天线提出了更多更苛刻的要求。为了满足WSN节点的小型化需求，可以在节点设备内部安装体积小、质量轻、易集成的平面天线，微小型、紧凑型天线成为平面天线设计的重要趋势。微带天线由于具有低剖面、体积小、质量轻等优点，在无线通信设备等领域得到广泛应用。
近10多年来，超材料的研究取得了重大进展，其介电常数或磁导率在特定频段内表现为负值的独特电磁性质，对于改善天线的性能具有重要的实质意义。资料表明，如果在天线中加入设计恰当的磁导率为负值的超材料，理论上可以将天线减小到任意小的尺寸。另外，通过将单个开口谐振环(Split Ring Resonator,SRR)作为微带天线的辐射贴片，实现了超宽带天线；在天线贴片和接地面上分别蚀刻超材料结构，实现了微带天线的宽带和高增益；将开口谐振环作为共同波导天线的辐射贴片，实现了平面天线的双频带和小型化；在FR4板的正背面分别蚀刻开口谐振环金属结构，实现了较低频的双频带天线；在辐射单元背面蚀刻互补开口谐振环(Complementary Split Ring Resonator，CSRR)，实现了平面天线的小型化；在半莲花状的辐射贴片上蚀刻CSRR图形，制作除了适合移动通信的微小型平面天线。
超材料是指单元尺寸远小于入射波长的人工复合结构或符合材料，具有新奇的超常规特性，如负折射率、倏逝波放大、逆多普勒效应等，近年来得到了广泛的研究。目前，超材料对电磁波的特殊响应已经应用于光谱成像、生物传感、天线设计等多个领域。超材料主要分为传输线型和谐振型两类。传输线型超材料主要基于电路理论分析，通过传输线结构的分布参数构成复合左右手传输线，从而实现在一定频率范围内的左手传输特性；而谐振型超材料则主要基于场理论分析，通过在结构单元内部产生电谐波、磁谐波，使整个结构形成电等离子体、磁等离子体，从而产生负介电常数、负磁导率。
目前的微小型平面天线仍需要追求更好的辐射特征和较高的增益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超材料结构的微小型平面天线，将单个的圆形三开口谐振环超材料结构作为天线的辐射贴片，并利用微带线结构作为馈电和阻抗匹配网络。该天线工作于2.28～2.54GHz、3.23～3.55GHz和4.97～9.75GHz三个频段，其中的4.97～9.75GHz是一个跨度为4.78GHz的宽频带。该天线具有良好的辐射特征和较高的增益，适用于WSN节点的通讯设备。
一种基于超材料结构的微小型平面天线，采用工作于1～5GHz的谐振型超材料，其单元结构是圆形三开口谐振环，如图1(a)所示。
该超材料结构单元既能满足在一定的频段内磁导率为负值，又具有设计简单、便于操作的优点，其整体结构是一个中间带有竖臂的圆环，在圆环的右上侧、左下侧以及中间竖臂的下侧开有缝隙，称为圆形三开口谐振环。
图1(a)中，圆环的外半径、宽度分别为R＝8mm，WL＝1.9mm，中间竖臂宽度W＝2.1mm，圆环左下侧、右上侧的缝隙宽度分别为g1＝0.2mm，g3＝1.2mm，竖臂下侧的缝隙宽度g2＝0.1mm，竖臂下侧缝隙的上边缘与圆环中心的距离h＝5.5mm，金属铜层厚度为35μm。
圆形三开口谐振环的磁谐振等效电路如图1(b)所示。等效电感L1、L2、L3分别由左半圆环、中间竖臂、右半圆环的金属部分形成，由于左半圆环与右半圆环的金属长度大致相同，有L1≈L3＞L2。等效电容C1、C2、C3分别由圆环左下侧、竖臂下侧、圆环右上侧的缝隙形成，由于g3＞g1，有C1＞C3。在等效电路中，当左半回路的磁谐振在整个电路中起主要作用时，左半回路的磁谐振频率为：
式中，Le1和Ce1分别为左半回路的等效电感和等效电容。当右半回路的磁谐振在整个电路中起主要作用时，右半回路的磁谐振频率为：
式中，Ler和Cer分别为右半回路的等效电感和等效电容。由于L1≈L3，C1＞C3，故fm1＜fmr，即左半回路的磁谐振频率低于右半回路的磁谐振频率。
为了研究该超材料结构的电磁特性，将超材料结构单元附于介质基板上，按照传输线比拟模型进行仿真。其结构构型的单胞区域取边长为18mm的立方体，如图1(c)所示。基板采用厚1.6mm、介电常数为4.4的FR4板。基板上的金属铜图案及尺寸与图1(a)中一致，铜的厚度为35μm。对图1(c)中的单胞施加完美电边界和完美磁边界，采用HFSS软件对其在1～5GHz范围内进行扫频分析，确定散射参数S。模拟过程中，设置电场方向为竖直方向(Y方向)，磁场方向垂直纸面(Z方向)；在波的传播方向(X方向)上，单胞相当于一个非均匀、非对称的传输介质。
单胞的散射参数S及提取的等效磁导率曲线如图2所示。
图2(a)和图2(b)分别给出了该单胞的S参数的幅值和相位随频率的变化曲线，其中正向传输系数S21曲线与反向传输系数S12曲线是完全重合的，即在1～5GHz范围内的任意频率处，S21与S21的幅值、相位皆相等。
利用散射参数S可以对材料的电磁特性进行反演计算,并得到材料的等效介电常数εeff、等效磁导率μeff、阻抗Z和折射率n，它们的计算公式分别为：
μeff＝nZ。
式中，k为入射波的波数，d为单胞边长；T11、T12、T21、T22为二阶传输矩阵T中对应位置的4个元素，即：
T11、T12、T21、T22的计算公式分别为：
通过散射参量反演法得到的等效磁导率μeff随频率的变化曲线如图2(c)所示。可以看出，圆形三开口谐振环在2.36～2.44GHz和3.24～3.46GHz两个频带内，等效磁导率为负值(μeff＜0)，即在这两个频带内产生磁谐振，从而验证了该圆形三开口谐振环在1～5GHz内是一种电磁超材料结构。
微带天线是一块厚度远小于工作波长的介质基片，一面敷以金属辐射片，另一面全部或部分敷以金属薄层作接地板。金属辐射片可以根据不同要求设计成各种形状，利用微带线或同轴探针对金属辐射片馈电。本发明的天线结构如图3所示。
首先设计了一款普通的微带天线①作为参照，其辐射贴片为中间带有竖臂的圆环，辐射贴片通过微带线结构与馈源相连，背面只有部分覆有铜接地板。天线①的结构尺寸如图3(a)所示。天线使用的介质板材料为FR4_epoxy，其介电常数为4.4，损耗角正切为tanδ＝0.02，整个FR4基板的尺寸为22.5×18×1.6mm3，铜层厚度为35μm。其次，将圆形三开口谐振环作为辐射贴片，设计了微带天线②，天线②即为本发明天线。天线②的结构尺寸如图3(b)所示。为方便比较，除在圆环和竖臂上增加了3处缝隙外，天线②与天线①的各项参数均相同。在高频结构仿真软件HFSS13中建立模型，以在2.4GHz、3.4GHz附近产生S11＜-10dB的频段及在4.5～10.5GHz内产生宽频带为目标，对天线②的几何尺寸进行优化，确定天线②的尺寸，如表1所示。
表1天线的尺寸参数
利用HFSS分别对天线①和天线②进行仿真实验，得到了两种天线的回波损耗S11，如图4所示。
由图可以看出，天线①的S11＜-10dB的频段只有1个，即4.3～8.35GHz；天线②的S11＜-10dB的频段有3个，前两个频段的中心频率分别为2.41GHz和3.4GHz，第三个宽频段为4.53～10.16GHz。由此可知，在辐射贴片上加入3处缝隙，使得天线②的性能得到了很大改善，在2.41GHz、3.4GHz处分别增加了两个工作频段，且降低了宽频段上的回波损耗，阻抗匹配更好。
1.辐射机理的研究。
由之前的研究可知，天线②的前两个中心谐振频率分别为2.41GHz和3.4GHz；而天线②的辐射贴片(即圆形三开口谐振环)的磁谐振(μeff＜0)频段分别为2.36～2.44GHz和3.24～3.46GHz。可见，天线②的前两个中心谐振频率恰好分别位于μeff＜0的这两个频带内，说明天线②的前两个工作频段是由圆形三开口谐振环的磁谐振产生的。
为了进一步研究天线②在3个频段内的辐射机理，分别仿真了天线②在3个中心频率点(2.41GHz、3.4GHz、6.14GHz)的表面电流分布，如图5所示。
由图5可以看出，天线②在2.41GHz处的谐振主要取决于辐射贴片的左半回路的谐振；在3.4GHz处的谐振主要取决于右半回路的谐振；而在6.14GHz处的谐振主要取决于微带馈线与地板间的强耦合。
2.竖臂下侧缝隙的位置对频带的影响：
由式(1)与式(2)可知，增大中间竖臂的等效电感L2的值，圆形三开口谐振环的fm1和fmr均会减小，那么天线②的前两个中心频率也均会减小。理论上，若增大竖臂下侧缝隙与圆环中心的距离h，竖臂的等效电感L2会增大，从而天线②的前两个中心谐振频率会向低频偏移。竖臂下侧缝隙与圆环中心的距离h对S11的影响如图6所示。
1)先对天线②的辐射贴片的竖臂下侧缝隙位于圆环中心(即h＝0mm)的情况进行仿真，仿真结果如图6(a)所示。由图可以发现天线②在2.58～2.66GHz和4.27～9.2GHz两个频段内S11＜-10dB，其工作频段并不理想。
2)鉴于以上工作频段并不理想的情况，对h参数进行大致优化，使其在1～6mm(间隔为1mm)内变化，仿真结果如图6(b)所示。由图可以发现，前两个中心谐振频率随着h的增大向低频偏移，且第三个宽频段也随着h的增大而改善，与上述理论分析相符；h＝5mm和h＝6mm时的S11曲线比较接近理想结果。
3)为了使S11曲线更接近于理想结果，再对h进行更加细化的优化，使其在5.1～5.9mm(间隔为0.2mm)内变化，仿真结果如图6(c)所示。由图可以发现，h＝5.5mm时，天线②的前两个中心谐振频率分别为2.41GHz和3.4GHz，且第三个宽频段为4.53～10.16GHz,S11曲线最接近于理想结果。
3.竖臂下侧缝隙的宽度对频带的影响
改变竖臂下侧缝隙的宽度g2的大小，使其在0.1～0.3mm(间隔0.1mm)内变化，仿真结果如图7所示。由图可以发现，随着g2的增大，前两个中心谐振频率会向高频偏移。这是由于g2的增大，使得缝隙处的等效耦合电容C2减小，根据式(1)与式(2)，C2减小，则fm1与fmr均会增大，因而天线②的前两个中心谐振频率会向高频偏移。
4.辐射增益和方向图
天线②在其工作频段上的仿真增益值如图8所示。由图可以发现，对于前两个工作频段，天线的增益起伏较大，最小为3.25dB，最大为12.4dB；第三个宽频段的增益起伏不大，稳定在4dB左右。天线②的增益符合WSN的增益要求。天线②在3个中心频率点处，XY平面的辐射方向图的仿真结果如图9所示。天线②在XY平面上接近于全向辐射，辐射特性较好。
本发明的辐射贴片为圆形三开口谐振环超材料结构，与现有技术相比，天线尺寸缩减了45％，且结构简单，易于加工和集成，非常适用于无线传感网络节点的通讯设备，有着较好的实用性和应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述圆形三开口谐振环超材料的单元结构图。其中，图1(a)是正面图，图1(b)是该单元机构的磁谐振等效电路，图1(c)是超材料单胞的立体图。
图2是本发明所述超材料单胞的散射参数S及提取的等效磁导率曲线。其中，图2(a)是单胞的S参数的幅值，图2(b)是单胞的S参数的相位，图2(c)是单胞的等效磁导率。图3是本发明所述天线①和天线②的结构尺寸示意图。图3(a)是天线①的结构尺寸，图3(b)是天线②的结构尺寸。
图4是本发明所述天线①和天线②的S11结果对比图。
图5是本发明所述天线②在各中心频率点处的表面电流分布。图5(a)为2.41GHz，图5(b)为3.4GHz，图5(c)为6.14GHz。
图6反映本发明所述竖臂下侧缝隙的位置h对S11的影响。图6(a)为h＝0mm时的S11曲线，图6(b)为对h参数初步优化的结果，图6(c)为对h参数细化的结果。
图7反映本发明所述竖臂下侧缝隙的宽度g2对S11的影响。
图8反映本发明所述天线②的工作频段上的增益的仿真结果。
图9反映本发明所述天线②在XY面的辐射方向图仿真结果。
图10是本发明所述天线②实物测量的回波损耗。
图11是本发明所述天线②辐射方向图测量结果的归一化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
可利用腐蚀覆铜印刷电路板工艺制成按照表1的尺寸参数制成天线②，并在微波暗室中利用N5242A矢量网络分析仪进行测试。测量的回波损耗S11如图10所示。
由图10可看出，天线②的前两个频段的实际测量值与仿真值基本吻合，但是第三个宽频段的绝对带宽的测量值比仿真值小880MHz，且其中心频率的测量值相对于仿真值向高频偏移了680MHz，这主要是由于加工和测试误差导致的。本发明天线的制作尺寸为22.5×18×1.6mm3，测得的最低的中心频率为2.43GHz，对应的天线电尺寸为0.18λ×0.144λ×0.013λ，其中λ为本发明天线在2.43GHz的工作波长。测得本发明天线的E面和H面的辐射方向图的归一化曲线如图11所示。
本发明天线的辐射贴片为圆形三开口谐振环超材料结构。测量结果表明，天线的工作频段分别为2.28～2.54GHz、3.23～3.55GHz和宽频带4.97～9.75GHz，覆盖了蓝牙、ZigBee、5GHz的WLAN频段，以及3.4GHz的WiMax频段，并且具有良好的增益和辐射特性，可满足无线传感网络的通信需求。与普通平面天线相比，本发明的天线尺寸缩减了45％，且结构简单，易于加工和集成，非常适用于无线传感网络节点的通讯设备，有着较好的实用性和应用前景。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于超材料结构的微小型平面天线，其特征在于：所述天线采用工作于1～5GHz的谐振型超材料，天线的辐射贴片为圆形三开口谐振环超材料结构，所述结构整体是一个中间带有竖臂的圆环，在圆环的右上侧、左下侧以及中间竖臂的下侧开有缝隙；天线的尺寸参数：圆环外半径=8mm，馈线宽度=2.1mm，圆环中心与PCB板下边缘距离=13mm，圆环宽度=1.9mm，竖臂下侧缝隙与圆环中心的距离=5.5mm，圆环左下侧缝隙的宽度=0.2mm，竖臂下侧缝隙的宽度=0.1mm，圆环右上侧缝隙的宽度=0.3mm，背面接地板的宽度=3mm。
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