Использование CRLH-TL и SIR структур позволяет создать сверхминиатюрную антенну

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).

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)]/[CLi (ω 2LLiLRi – 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.

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.

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).

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.

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.

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.