Redirect= Использование CRLH-TL и SIR для сверхминиатюрных антенн

Использование CRLH-TL и SIR структур позволяет создать сверхминиатюрную антенну

№ 1’2018
PDF версия
Использование линий передачи и резонаторов со ступенчатым изменением полного сопротивления (stepped impedance resonator, SIR) на недорогих композитных право-и левосторонних метаматериалах (Composite Right-/left-Handed Transmission Line, CRLH-TL) позволяет создавать высокоизбирательные одно- и двухдиапазонные антенны, физические размеры которых значительно меньше, чем у стандартных печатных антенн.

Введение

Практическое использование таких схемных СВЧ-структур как резонаторы со ступенчатым изменением полного сопротивления (SIR) и линий передачи (Transmission Lines, TL) разной формы обеспечивает реализацию высокоселективных одно- и двухдиапазонных антенн очень малых размеров. Анализ конструкций этих антенн на основе SIR-резонаторов и линий передачи на композитных право‑и левосторонних (CRLH) метаматериалах показывает, как использовать одну антенну в нескольких разнесенных полосах рабочей частоты, а также уменьшить размеры антенн с четверть- и полуволновой конфигурацией.

Чтобы продемонстрировать предлагаемый подход, авторы настоящей статьи разработали четверть- и полуволновые антенны с одинаковой центральной рабочей частотой 4,5 ГГц и шириной пропускания по импедансу (|S11 | ≤ 10 дБ) равной 500 МГц. Кроме того, у полуволновой антенны кроме указанной частоты была вторая полоса с центральной частотой 1,8 ГГц. Для корректного сравнения двух конфигураций размер обеих антенн был выбран одинаковым — 26×21,3 мм 2.

 

Использование метаматериалов

В последние годы у разработчиков, проектирующих ВЧ- и СВЧ- устройства, а также у исследователей, работающих в этой области, большой интерес вызывают метаматериалы. В общем понимании — это специальные композитные материалы или системы, свойства которых обусловлены не столько свойствами составляющих элементов, но и искусственно созданной периодической структурой. Метаматериалы характеризуются отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостями [1, 2].

Для эффективного уменьшения физических и электрических размеров, а также для увеличения числа рабочих полос частот использовались в несимметричных вибраторных антеннах [3–6] такие метаматериалы как расщепленные кольцевые резонаторы (split-ring resonator, SRR) и комплементарные SRR-резонаторы (complementary split-ring resonator, CSRR). Линия передачи (TL) была реализована с использованием нерезонансных и широкополосных метаматериалов. Она периодически нагружалась последовательными конденсаторами и шунтирующими индуктивностями вместе со стандартными TL-элементами. Такая структура в [7, 8] называется линией передачи на композитных право- и левосторонних (CRLH-TL) метаматериалах. Она характеризуется нарастающим сдвигом фазы, который полностью контролируется с помощью нагрузки или паразитных элементов при нелинейной частотной зависимости. Оба этих метода можно эффективно применять для настройки произвольных полос рабочей частоты антенны.

В нескольких компактных одно-, двух- и многодиапазонных антенных конструкциях, представленных в технической литературе, применяются стандартные варианты линий CRLH-TL [9–15], модифицированные версии CRLH-TL [16–18] и их нагрузка несимметричными вибраторными или дипольными антенными структурами с CRLH-ячейками [19–21]. Очень компактные антенны нашли применение в приложениях с использованием технологии MIMO (multiple-input, multiple-output — многоканальный вход — многоканальный выход) [22, 23]. Однако при создании СВЧ-оборудования все еще востребована разработка небольших антенн с простыми и независимыми этапами проектирования. До сих пор она недостаточно полно и должным образом представлена в литературе.

 

Влияние собственного резонанса

Характеристики многих антенн разных типов в значительной мере зависят от резонаторов или, вообще говоря, от конкретной формы проявления резонанса. Резонансные эффекты в антеннах используются по-разному: например, для формирования основной рабочей частоты или полосы рабочих частот антенны, или для ее изоляции от тех или иных полос частот. Независимо от способа проектирования антенн большинство разработчиков сталкивается с общей проблемой, которая обусловлена наличием ложных резонансных частот, являющихся следствием использования разных режимов работы антенны, а также самой природы резонансов каждой конкретной антенны.

Наиболее простым решением в таких случаях в зависимости от того, передается или принимается сигнал, является установка фильтров до или после блока антенны [24]. Однако в результате существенно увеличивается общий размер структуры. В качестве другого решения можно задействовать SIR-резонаторы, которые блокируют ложные полосы и обеспечивают лучшую изоляцию. В [25–29] описывается применение SIR-фильтров на основе CRLH. В [30–34] предложены способы проектирования антенн для высокочувствительной аппаратуры с использованием этих структур на основе метаматериалов.

Чтобы доказать эффективность использования метаматериалов в конструкции антенн, в частности, в SIR-резонаторах и линиях передачи CRLH, была исследована возможность применения в качестве основного элемента антенны четверть- и полуволновых короткозамкнутых линий передачи SIR-TL на основе метаматериалов. У четвертьволновой антенны был одиночный резонанс на частоте 4,5 ГГц, а у полуволновой антенны — основной резонанс на частоте 4,5 ГГц, а также дополнительная узкая полоса частот с резонансом 1,8 ГГц при тех же размерах и с более резко выраженным внеполосным затуханием.

Обе антенны были выполнены на подложке из недорого материала — стеклотекстолита марки FR‑4 с относительной диэлектрической проницаемостью 4,3, толщиной 1,6 мм и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ = 0,02. Для формирования круговой диаграммы направленности предложенные SIR-антенны на метаматериалах были разработаны в конфигурациях питания с помощью копланарного волновода. Для симуляции использовалось ПО для компьютерного моделирования Microwave Studio от компании CST.

Структура SIR реализуется путем каскадирования линий передачи с разными характеристическими импедансами и электрической длиной. Схема для четвертьволнового и полуволнового SIR-резонаторов показана на рис. 1a и 1б, соответственно. На ней Zi обозначает характеристический импеданс, а θi— электрическую длину каждой линии передачи. Резонаторы могут использоваться в разомкнутой или короткозамкнутой конфигурации. Для обеспечения минимального или максимального импеданса в нашем распоряжении имеются четыре конфигурации. Во всех конфигурациях при использовании этих структур в качестве антенн необходимо обеспечить нулевую входную проводимость (Yi = 0).

Четвертьволновая (a) и полуволновая SIR-антенны (б), а также эквивалентная схема CRLH-ячейки (в)

Рис. 1. Четвертьволновая (a) и полуволновая SIR-антенны (б), а также эквивалентная схема CRLH-ячейки (в)

Для короткозамкнутой четвертьволновой SIR-антенны входной импеданс определяется как (1):

ZinQ = (jZ2) [(Z2tg (θ2) + Z1/tg (θ1))/(Z2 –Z1tg (θ2)/tg (θ1))]. (1)

Входной импеданс короткозамкнутого полуволнового SIR-резонатора на основе метаматериала CRLH рассчитывается с помощью уравнения (2):

ZinH = Z2 (j [Z2tg (θ2) + Z1tg (2θ1)] + jZ2tg (θ2) [Z1 – Z2tg (2θ1)tg (θ2)]/Z2 [Z1 – Z2tg (2θ1)tg (θ2)] – Z1tg (θ2) [Z2tg (θ2) + Z1tg (2θ1)]). (2)

Условие резонанса для четвертьволновых и полуволновых короткозамкнутых SIR-антенн обеспечивается, если входной импеданс бесконечен, т. е. при нулевой входной проводимости, как видно из (3) и (4):

Z2 = Z1tg (θ2)/tg (θ1), (3)

Z2 [Z1 – Z2tg (2θ1)tg (θ2)] = Z1tg (θ2)•[Z2tg (θ2) + Z1tg (2θ1)]. (4)

При проектировании SIR-резонатора с помощью проводников CRLH-TL используются параметры, определяемые уравнениями (5) и (6):

Zi = {[LLi (ω 2LRiCLi – 1)]/[CLi2LLiLRi – 1)]} 0,5 (5)

θi = ω (LRiCRi) 0,5 {[1–1/(ω 2CLiLRi)]•[1–1/(ω 2CRiLLi)]} 0,5 (6)

Уравнения (5) и (6) с подстановкой (3) и (4) подтверждают, что условия резонанса для полуволнового решения по сравнению с четвертьволновым предоставляют разработчикам большую гибкость. Таким образом, большее количество полос и высокоселективных антенн реализуется именно с помощью полуволновой CRLH SIR-антенны с короткозамкнутой нагрузкой.

 

Использование сдвоенных структур

Все приведенные выше предварительные соображения можно подтвердить путем сравнения поведения двух CRLH SIR-антенн — четвертьволновой и полуволновой, соответственно. На рис. 2 показана плоская двумерная топология четвертьволновой антенны. Она формируется двумя каскадными CRLH-ячейками, включенными после эквивалентной схемы (рис. 1в). Первая ячейка создана с использованием 11‑элементного конденсатора со встречно-гребенчатой структурой и катушки индуктивности с малой собственной индуктивностью. Вторая ячейка построена с помощью последовательного щелевого конденсатора и катушки индуктивности в виде меандровой линии с небольшой собственной индуктивностью. На рис. 2 приведены физические размеры всех составляющих элементов антенны. Как видно, габаритные размеры такой антенны составляют всего 26,0×21,3 мм, т. е. лишь около 30% размера обычной патч-антенны.

Двумерное изображение короткозамкнутой четвертьволновой CRLH SIR-антенны с питанием через копланарный волновод

Рис. 2. Двумерное изображение короткозамкнутой четвертьволновой CRLH SIR-антенны с питанием через копланарный волновод.
Размеры физических элементов антенны:
Ls = 26 мм;
Ws = 21,3 мм;
L1 = L2 = L3 = L4 = 3 мм;
g1 = g2 = g3 = 0,5 мм;
Lfeed = 7,7 мм,
Wfeed = 2,5 мм;
Sfeed = 0,2 мм;
S1 = 4 мм;
W1 = 4,6 мм;
Lground = 8,1 мм;
LL1 = 0,4 мм;
LLm1 = 4 мм;
LL2=0,65 мм;
LLm2 = 0,55 мм;
WLm1 = WLm2 = 0,1 мм

Для построения резонатора в полуволновой конфигурации (рис. 1б) четвертьволновая компоновка была модифицирована. Модифицированная структура показана на рис. 3.

Двумерное изображение короткозамкнутой четвертьволновой (λ/4) CRLH SIR-антенны с питанием через копланарный волновод

Рис. 3. Двумерное изображение короткозамкнутой четвертьволновой (λ/4) CRLH SIR-антенны с питанием через копланарный волновод.
Размеры физических элементов антенны:
Ls = 26 мм;
Ws = 21,3 мм;
L1 = L2 = L3 = L4 = 3 мм;
g1 = g2 = g3 = 0,5 мм;
Lfeed = 7,7 мм,
Wfeed = 2,5 мм;
Sfeed = 0,2 мм;
S1 = 4 мм;
W1 = 4,6 мм;
Lground = 4,6 мм;
LL1 = 0,4 мм;
LLm2 = 0,5 мм;
LL2 = 0,65 мм;
LLm2 = 0,55 мм;
WLm1 = WLm2 = 0,1 мм

Видно, что эта антенна состоит из трех каскадов линий CRLH-TL. Первый и третий каскад являются идентичными, а средний несколько от них отличается. Первая и третья линии передачи построены с использованием конденсатора со встречно-гребенчатой структурой и катушки индуктивности в виде меандровой линии с небольшой собственной индуктивностью. Средняя линия реализована с использованием конденсатора с воздушным зазором.

Это значит, что у внешних проводников — более высокие значения CL и меньшие значения LL, что обеспечивает меньший характеристический импеданс и почти эквивалентную электрическую длину, которую можно рассчитать с помощью уравнений (5) и (6). Аналогично, при короткозамкнутой нагрузке антенна имеет линию запитки с волновым сопротивлением 50 Ом и короткозамкнутым подключением. На рис. 2 представлена дополнительная информация о физических размерах для компонентов антенн.

Полученные путем симуляции коэффициенты отражения четвертьволновой и полуволновой SIR-антенн показаны на рис. 4. Хорошо видно, что у четвертьволновой антенны с единственным резонансом на частоте 4,6 ГГц коэффициент отражения равен –20 дБ с шириной полосы по импедансу (|S11 |≤10 дБ) равной 0,6 ГГц (от 4,4 до 5 ГГц).

Результаты компьютерной симуляции коэффициентов отражения для четвертьволновой и полуволновой SIR-антенн

Рис. 4. Результаты компьютерной симуляции коэффициентов отражения для четвертьволновой и полуволновой SIR-антенн

В отличие от четвертьволнового варианта, полуволновая CRLH SIR-антенна имеет два ярко выраженных резонанса на частотах 1,8 и 4,5 ГГц, соответственно. На обеих частотах коэффициент отражения приближается к –15 дБ. Однако ее первая рабочая полоса с резонансом на частоте 1,8 ГГц очень узкая, с крутыми спадами (из-за более высокой добротности), тогда как вторая полоса имеет сравнительно более плоскую крутизну внеполосного затухания. При этом предлагаемая конструкция антенны в полуволновой конфигурации составляет всего 5% и 29% от размера двух отдельных обычных патч-антенн, используемых как самостоятельные элементы на частотах 1,8 и 4,5 ГГц по отдельности.

 

Излучение и диаграмма направленности

Излучающие свойства CRLH SIR-антенны в четвертьволновом варианте были изучены путем компьютерного моделирования ее трехмерной (3D) диаграммы направленности и оценки усиления на частоте 4,6 ГГц (рис. 5). Видно, что четвертьволновая SIR-антенна имеет типичную круговую диаграмму направленности с фактическим усилением 2,169 дБ и хорошей эффективностью излучения 77,5%. Как и следовало ожидать, максимальная направленность излучения наблюдается вдоль координаты Z (широкая сторона антенны), а в направлении C (направление запитки) излучение нулевое.

Результаты компьютерного моделирования трехмерной диаграммы направленности четвертьволновой антенны и оценки ее усиления на частоте 4,6 ГГц

Рис. 5. Результаты компьютерного моделирования трехмерной диаграммы направленности четвертьволновой антенны и оценки ее усиления на частоте 4,6 ГГц

Полученные трехмерные диаграммы направленности полуволнового варианта CRLH SIR-антенны для двух резонансных частот (1,8 и 4,6 ГГц, соответственно) приведены на рис. 6a и 6б. Эта конструкция антенны обладает одинаково хорошими характеристиками направленности на обеих частотах аналогично той, что имеется у четвертьволновой антенны на ее одной резонансной частоте. Максимальная направленность также круговая; наибольший уровень излучения — в Z‑направлении. У антенны — разная эффективность излучения на двух частотах: 72% на частоте 4,5 ГГц и 1% — на частоте 1,8 ГГц. Малый КПД на более низкой рабочей частоте (1,8 ГГц) можно объяснить небольшим физическим размером антенны на этой длине волны.

Результаты компьютерного моделирования трехмерной диаграммы направленности полуволновой антенны и оценки ее усиления на частотах 1,8 ГГц (а) и 4,5 ГГц (б)

Рис. 6. Результаты компьютерного моделирования трехмерной диаграммы направленности полуволновой антенны и оценки ее усиления на частотах 1,8 ГГц (а) и 4,5 ГГц (б)

 

Заключение

Миниатюрные антенны можно построить с помощью технологии CRLH SIR, что было показано на примере двух антенн с разными конфигурациями. Полуволновая и четвертьволновая CRLH SIR-антенны гораздо меньше стандартных антенн, выполненных на печатной плате. Предложенная конструкция позволяет создать полуволновую антенну размером, который составляет всего 5% от размера обычной патч-антенны.

Литература
  1. Nader Engheta, Richard W. Ziolkowski. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations.//Wiley, New York. 2006.
  2. Ricardo Marques, Ferran Martin, Mario Sorolla. Metamaterials with Negative Parameters: Theory, Design, and Microwave Applications.//Wiley, New York. 2011.
  3. Meng Li, Xian Qi Lin, Jessie Yao Chin, Ruopeng Liu, Tie Jun Cui. A Novel Miniaturized Printed Planar Antenna Using Split-Ring Resonator.//IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Vol. 7. 2008.
  4. Li-Ming Si, Weiren Zhu, Hou-Jun Sun. A Compact, Planar, and CPW-Fed Metamaterial-Inspired Dual-Band Antenna.//IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Vol. 12. 2013.
  5. K. Sharma, R. K. Chaudhary. Dual-band Metamaterial-inspired Antenna for Mobile Applications.//Microwave and Optical Technology Letters. Vol. 57, № 6. 2015.
  6. Walaa Wahba, Mahmoud Abdalla, Ahmed Mohamed, Abdelmegeed Allam. A Uni-Planar Microstrip CSRR metamaterial Antenna.//2014 IEEEAP-S International Antenna and Propagation Symposium Digest, Memphis, TN. 2014.
  7.  Caloz, T. Itoh. Electromagnetic Metamaterials Transmission Line Theory and Microwave Applications.//Wiley, Paramus, NJ. 2006.
  8. V. Eleftheriades, K. G. Balmain. Negative Refractive Metamaterials.//Wiley, Paramus, NJ. 2005.
  9. Cheng-Jung Lee, Wei Huang, A. Gummalla, M. Achour. Small Antennas based on CRLH Structures: Concept, Design, and Applications.//IEEE Antennas and Propagation Magazine. Vol. 53, № 2. 2011.
  10. W. Ziolkowski, P. Jin, C. Lin. Metamaterial-Inspired Engineering of Antennas.//IEEE Proceedings. Vol. 99, № 10. 2011.
  11.  Abdalla, Z. Hu. Compact and Tunable Metamaterial Antenna for Multi-band Wireless Communication applications.//IEEE AP-S International Antenna and Propagation Symposium Digest. 2011.
  12. K. Sharma, R. K. Chaudhary. A Compact Zeroth-order Resonating Wideband Antenna with Dual-band Characteristics.//IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Vol. 14. 2015.
  13. Mahmoud A. Abdalla, Walaa W. Wahba, Abdelmegid M. Allam. Asymmetric dual-band integrated compact CRLH SIW array antenna.//Journal of Electromagnetic Waves and Applications. Vol. 31, № 3. 2017.
  14. Li, Long, Zhen Jia, Feifei Huo, Weiqiang Han. A novel compact multiband antenna employing dualband CRLH-TL for smart mobile phone application.//IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Vol. 12. 2013.
  15. Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seong. Bandwidth enhancement of metamaterial antennas based on composite right/left-handed transmission line.//IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Vol. 9. 2010.
  16. Mahmoud A. Abdalla, Mohamed I. Abdelnaser. A Compact Dual Band D‑CRLH Antenna with Radiation Pattern Directional Characteristics.//IEEE AP-S International Antenna and Propagation Symposium Digest. 2016.
  17. Mohammad Bemani, Saeid Nikmehr, Mahdi Fozi. A Dual-Band Feed Network for Series-Fed Antenna Arrays Using Extended Composite Right/Left-Handed Transmission Lines.//IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol. 65, № 1. 2017.
  18. A. Abdalla, Z. Hu. A Compact Dual Band Meta-material Antenna for Wireless Applications.//Loughborough Antennas & Propagation Conference, Loughborough. 2012.
  19.  Zhu, G. V. Eleftheriades. Dual-band metamaterial-inspired small monopole antenna for WiFi applications.//Electronics Letters. Vol. 45, № 22. 2009.
  20. A. Abdalla, U. Abdelnaby, A. A. Mitkees. Compact and Triple Band Meta-material Antenna for All WiMAX Applications.//International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP). 2012.
  21.  Jamilan, M. A. Antoniades, J. Nourinia, M. N. Azarmanesh. A compact multiband printed dipole antenna loaded with two unequal parallel NRI-TL metamaterial unit cells.//IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol. 63, № 9. 2015.
  22. Ahmed A. Ibrahim, Mahmoud A. Abdalla. CRLH MIMO Antenna with Reversal Configuration.//AEü-International Journal of Electronics and Communications. Vol. 70, № 7. 2016.
  23. Mahmoud A. Abdalla, Ahmed A. Ibrahim. Design and Performance Evaluation of Metamaterial Inspired MIMO Antennas for Wireless Applications.//Wireless Personal Communication. 2016.
  24. A. Balanis. Antenna Theory and Design.//Wiley, Paramus, NJ. 2005.
  25.  Karimian, M. A. Abdalla, Z. Hu. Left-handed Stepped Impedance Resonator for WLAN Applications.//3rd International Congress on Advanced Electromagnetic Material in Microwave and Optics. London, UK. 2009.
  26.  Karimian, M. Abdalla, Z. Hu. Compact Half-wavelength Metamaterial Stepped Impedance Resonator (SIR).//IEEE AP-S International Antenna and Propagation Symposium Digest. Spokane, WA. 2011.
  27.  Karimian, M. Abdalla, Z. Hu. Tunable Metamaterial Ferrite Stepped Impedance Resonator (SIR).//27th Progress in Electromagnetics Research Symposium. Xi an, China. March, 2010.
  28. Paris Velez, Miguel Duran-Sindreu, Armando Fernandez-Prieto, Jordi Bonache, Francisco Medina, Ferran Martin. A Compact Dual-Band Differential Power Splitter With Common-Mode Suppression and Filtering Capability Based on Differential-Mode Composite Right/Left-Handed Transmission-Line Metamaterials.//IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Vol. 13. 2014.
  29. Mahmoud A. Abdalla, Ahmed A. Ibrahim. Metamaterials Sculpt UWB Bandpass Filter, Microwaves and RF. Vol. 56, № 3. March, 2017.
  30. A. Abdalla, Aliaa A. Awad, Khaled M. Hassan. Wide Band High Selective Compact Metamaterial Antenna for 2 GHz Wireless Applications.//Loughborough Antennas & Propagation Conference. Loughborough, UK. 2014.
  31. A. Abdalla, S. Karimian, Z. Hu. Dual Band Spurious-Free SIR Metamaterial Antenna.//IEEE AP-S International Antenna and Propagation Symposium Digest. July, 2014.
  32. Mahmoud Abdalla, Mohamed Abo El-Dahab, Mohamed GHouz. SIR Double Periodic CRLH Loaded Dipole Antenna.//IEEE AP-S International Antenna and Propagation Symposium Digest. Vancouver, Canada. July, 2015.
  33.  Kushiyama, T. Arima, T. Uno. Differential Type CRLH Leaky-Wave Antenna Using Stepped Impedance Resonators.//IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Vol. 15. 2016.
  34. S. K. Sharma, M. A. Abdalla, R. K. Chaudhary. An Electrically Small SICRR Metamaterial-inspired Dual-band Antenna for WLAN and WiMAX applications.//Microwave and Optical Technology Letters. Vol. 59, № 3. 2017

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *