牛兵建—基于复合左右手传输线的宽带高效率天线研究.

信息科学与技术学院研究生学位论文答辩基于复合左右手传输线的宽带高效率天线研究学生：牛兵建导师：冯全源教授专业：通信与信息系统时间：2014.05.17主要内容绪论1基于ENG传输线的双频融合宽带天线设计4基于ENG传输线的宽带双频天线设计3基于CRLH传输线的宽带高效率天线设计5复合左右手传输线及电小天线理论2绪论绪论•未来无线通信天线标准：•多频段、宽频带、小尺寸、性能优良、价格低廉和易于集成多功能、大容量绪论•超材料：•Acompositeorstructuredmaterialthatexhibitspropertiesnotfoundinnaturallyoccurringmaterialsorcompounds.左手材料复合左右手传输线光子晶体磁性材料金属铁磁体手性媒质铁媒质线颗粒媒质V.G.VeselagoD.R.SmithG.V.EleftheriadesT.ItohE.YabnolovitchS.John绪论•超材料的奇异特性：•负折射效应（NegativeRefractionIndex）、逆契伦科夫辐射（ReversedCerenkovRadiation）、逆多普勒效应（ReversedDopplerEffect）、完美透镜效应和相位补偿特性等。常规材料左手材料相位补偿特性左手材料常规材料负折射效应绪论•超材料在天线中的应用：1.利用左手材料构造亚波长谐振器，从而实现天线的小型化；2.利用折射率为负和零的特性，改善天线的定向辐射；4.利用相位补偿特性，提高天线的辐射效率。R左手材料电小天线利用左手材料提高电小天线的辐射效率•目前面临的技术难点：1.普遍面临着带宽窄和效率低下的问题，限制了它们在现代无线通信系统中的应用；2.因此开展宽带高效率天线的研究，具有重要的研究价值；复合左右手传输线理论•CRLH传输线：'RLz'RCzz'/LCz'/LLzz'RLz'RCzz'/LCz'/LLz'Z'Y()Iz()Vz()Izz()Vzz右手传输线左手传输线CRLH传输线复合左右手传输线•CRLH传输线的波动方程：222()()0dVzVzdz222()()0dIzIzdz其中传播常数''''11()()RRLLLCjCL该方程描述了传输线每个微元上电压和电流的变化规律，由此可以解得传输线上任意点的电压和电流，以及它们间的关系。复合左右手传输线•CRLH传输线的三种实现类型：02L0d0C0,TLZ0,TLZ02L02L0d0,TLZ0,TLZ02L0d02C0,TLZ0,TLZ02CDNGENGMNG复合左右手传输线•CRLH传输线的相位常数：谐振条件：或其中谐振模式电场分布2ln22nnnlNdn0,1,2,...(1)nNω1ω2ω3ω-1ω-2ω-3ωβdOπ/N2π/N3π/N-π/N-2π/N-3π/Ndl=Nd221()RRRRLLLLLCjsLCLCLC复合左右手传输线•零阶谐振器原理可调谐及带宽拓展技术：终端开路的ENG传输线谐振频率：相对带宽：1开路resshLRLC01开路开路LRLBWGCQ由此可以看出，ZOR的谐振频率和带宽仅与单元模型的LL和CR有关，与单元结构的物理尺寸无关。这意味着ZOR天线可以非常小。复合左右手传输线•一阶谐振器原理及带宽拓展技术：终端开路的ENG传输线谐振频率：相对带宽：LRCRpGY'LL111=+FORRRLCLL()RLSFORRRLRLLLBWGGCLLC由公式看出，LL和CR相当于并联关系。FOR的谐振电路可以等效为并联谐振回路。FOR的谐振频率和带宽仅与单元模型的LL,LR和CR有关，与物理尺寸无关。增大LL和CR可以拓宽天线带宽。天线小尺寸、宽频带与辐射效率的矛盾•尺寸与带宽VSWR1BWVSWRQ33112(/)8(/)Qrr天线尺寸减小，使得带宽减小•尺寸与辐射效率24/eGA*GD天线尺寸减小，使得增益和效率降低•天线设计过程中应折中考虑尺寸、带宽与效率的关系难点：在保持天线小尺寸的同时，如何获得宽带和高效率特性•带宽与辐射效率11VSWRBWQVSWR//()rinrrlPPPPP天线带宽增大，使得效率降低基于ENG传输线的宽带双频天线•非对称共面波导传输线设计：与CPW相比，信号线与两侧金属地板之间的缝隙宽度是不相同的，ACPW增加了额外的设计变量，使其具有更广泛的设计灵活性。该传输线具有简单紧凑、无过孔、易于集成、损耗低和电抗参数易调节等优点。开展基于ACPW馈电的超材料天线研究具有重要的意义。WLwf(a)(b)g1g2ACPW传输线的物理尺寸参数（单位:mm）LWwfg1g222506.320.6基于ENG传输线的宽带双频天线•天线结构天线结构主要由信号贴片、ACPW金属板和短路弯折线等三部分组成。ACPW结构提供了很大的设计自由度和广泛的优化空间，易于改变电抗参数，以实现宽带双频特性。该天线具有简单紧凑、易于集成、加工方便和成本低等优点。基于ENG传输线的宽带双频天线•ZOR模式表面电流分布Morefieldsradiateoutintotheairinsteadoftowardsground.Thecurrentsonmeanderlineshaveequalamplitudesandareinphase.TheACPWoddmodeisexcited.基于ENG传输线的宽带双频天线•天线测试环境：AgilentnetworkanalyzerE5071CEManechoicchamberSEMA-1B基于ENG传输线的宽带双频天线•阻抗特性：1.01.52.02.53.03.54.04.5-30-25-20-15-10-50n=1n=0ReflectionCoefficient[dB]Frequency[GHz]SimulatedMeasuredZOR模式：1.75-2.05GHz，相对带宽为15.79%FOR模式：2.68-3.59GHz，相对带宽为29.03%基于ENG传输线的宽带双频天线•增益与效率1.52.02.53.03.54.0020406080100RadiationEfficiencyPeakGainFrequency[GHz]RadiationEfficiency[%]-101234PeakGain[dB]众所周知，天线的效率主要受介质损耗的影响。事实上，在该天线中，由于较大的缝隙宽度，导致电磁场很少束缚在介质内而辐射到空气中，因此介质损耗对天线的效率影响并不大。ZOR模式：1.50dBi-1.94dBi，84.31%-92.09%FOR模式：1.99dBi-3.03dBi，74.83%-88.02%基于ENG传输线的宽带双频天线•辐射特性：(a)(b)(c)(d)-30-20-1000306090120150180210240270300330-30-20-100COPOL(Simulated)XPOL(Simulated)COPOL(Measured)XPOL(Measured)-30-20-1000306090120150180210240270300330-30-20-100COPOL(Simulated)XPOL(Simulated)COPOL(Measured)XPOL(Measured)-30-20-1000306090120150180210240270300330-30-20-100COPOL(Simulated)XPOL(Simulated)COPOL(Measured)XPOL(Measured)-30-20-1000306090120150180210240270300330-30-20-100COPOL(Simulated)XPOL(Simulated)COPOL(Measured)XPOL(Measured)结果表明，实测与仿真结果吻合较好，在E面具有良好的全向辐射特性；在H面具有哑铃状双向辐射方向图。基于ENG传输线的宽带双频天线•与国内外超材料天线的性能对比：本文文献【8】文献【9】文献【27】文献【28】传输线结构ENG-TLCRLH-TLCRLH-TLCRLH-TLCRLH-TL谐振频率（GHz）1.883.222.031.942.33.38谐振模式ZORFORZORZORZORZOR单元尺寸0.31×0.0890.053×0.0970.032×0.0870.037×0.120.016×0.08相对带宽15.7929.036.810.34.3~0.1最大增益1.942.951.352.32.30.87辐射效率92.0988.0262857970有无过孔不需要不需要需要需要需要与同类型超材料天线相比，该天线具有简单紧凑、双频工作、带宽较宽、高的效率和全向性辐射等优点，非常适合于现代无线通信系统中，并具有广泛的应用前景基于ENG传输线的双频融合宽带高效率天线•零阶和一阶谐振融合的宽带高天线设计方法单一超材料天线的工作频带通常比较窄利用ZOR和FOR带宽拓展技术，同时拓宽其谐振带宽调节电抗参数，使ZOR和FOR相互靠近，融合在一个带宽，以实现超材料天线的宽频带特性零阶谐振模式ZOR带宽拓展技术一阶谐振模式FOR带宽拓展技术宽带高效率天线多频特性模式融合基于ENG传输线的双频融合宽带高效率天线•天线结构yzxWLpl3d1S1WLyzxg1g2l2wfl1(a)(b)lswsxzyLWpl3d1S1l2l1g1w基于ACPW和CPW馈电的两款宽带超材料天线天线结构主要由信号贴片、ACPW金属板和短路弯折线等三部分组成。该天线具有无通孔、成本低、加工方便和简单紧凑等优点。基于ENG传