增益增强的小型CRLH基超宽带天线

× × ××⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）75www.elsevier.com/locate/icte用于无线通信应用的具有增益增强的小型CRLH基超宽带天线Mohammad Alibakhshi-Kenaria， Mohammed Naser-Moghadasia，R.A.Sadeghzadehb，巴尔山Virdeec，Ernesto Limitid工程学院，伊朗德黑兰伊斯兰阿扎德大学科学和研究处b电气工程学院，K.N. Toosi University of Technology，德黑兰，伊朗c伦敦城市大学，通信技术中心，生命科学和计算学院，伦敦N7 8DB，英国dDipartimentodiInge gneriaElettr onica，Universita`de gliStudidiRomaTorVer gata，ViadelPolitecnico1，00133Roma，Italy接收日期：2016年1月4日;接受日期：2016年2016年5月2日在线发布摘要提出了一种基于复合左右手（CRLH）超材料单元的新型超宽带（UWB）天线小型紧凑型天线的物理尺寸为15第七章871 .一、6 mm3或0. 15 λo 0。07 λo 0。01 λo的自由空间波长在3 GHz。所提出的天线覆盖3-10.6 GHz的阻抗带宽天线的增益和效率分别大于2.89 dBi和38.54%，其中峰值增益为9.41 dBi，峰值效率为99.93%。天线的特性进行了验证与测量结果从制造的原型，以建立概念的证明。c2016韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：小型化天线;超宽带天线;复合左右手传输线;超材料;无线通信1. 介绍由于超宽带（UWB）技术具有低发射功率、高分辨率和可靠传输、抗多径干扰能力强、信道容量大等优点，因此在现代通信系统中对小型化超宽带天线的需求正在迅速增长尽管FCC在2002年批准了用于雷达、位置跟踪和数据传输的3- 10.6GHz频带的商业使用任何无线UWB系统中的重要元件之一是天线，它需要*通讯作者。联系电话：+98 9112126144。电子邮件地址：makenari@mtu.edu，naeem. yahoo.com（M.Alibakhshi-Kenari），srbiau.ac.ir（M. Naser-Moghadasi），sadeghz@eetd.kntu.ac.ir（R.A. Sadeghzadeh），b. londonmet.ac.uk（B.S.Virdee），limiti@ing.uniroma2.it（E. Limiti）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。这篇论文已经由教授处理高永才具有（i）在3- 10.6GHz上的低VSWR（2），（ii）高辐射效率，（iii）良好的辐射特性，和（iv）与电子电路集成的兼容性。还需要显著减小尺寸以使无线通信系统最小化。此外，UWB天线需要高度紧凑、低成本和可靠。超材料（MTM）的有用性已被充分证明用于设计紧凑的天线和微波器件[5MTM复合右/左手传输线（CRLH-TL）为实现小型天线提供了一条概念性的途径。在这项研究中，我们采用了MTM技术，以开发一个更紧凑的天线，同时保持其性能方面的带宽，辐射效率，和辐射模式。所提出的天线具有15 mm的长度、7.87 mm的宽度和1.6 mm的高度，其足够小以适合于大多数便携式通信设备内。单个天线可以支持当今在从3到10.6GHz的UWB频带中的多频带无线应用，这消除了对多个天线的需要和复杂的天线配置http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.04.0012405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。76M. Alibakhshi-Kenari等人/ICT Express 2（2016）75联系我们ωCLωL LZY交换网络天线本文的其余部分组织如下。第2节可以表现出负折射率，介电常数（ε）和磁导率（μ）同时为负。这些参数定义如下：提供了CRLH MTM天线的理论背景Z1UWB天线设计的指导方针在第3节中讨论。在第4节中，我们详细介绍了设计程序µ=jω=LR−ω2CL（十）建议的天线。 第5节介绍了天线测量性能，并在第6节中结束工作。2. CRLH MTM天线电磁波在大多数材料中的传播遵循E、H和β矢量场的右手定则，其中E是电场，H是磁场，β是波矢量，定义如下：γ=α+jβ=α（1）与ε=j ω=C R− ω2LL.（十一）它们的相速度方向与信号的能量传播方向相反因此，MTM也被称为“左手”（LH）材料。由于没有MTM自然存在，它只能由人工结构形成。实际上，MTM表现出LH和RH行为，因此被称为复合右手和左手（CRLH）MTM。CRLH MTM在低-频率范围和高频β（ω）=s（ω）哪里联系人：李经理1LR CRω2LL CL−LL CL（二）范围[5CRLH MTM可以被构造和工程化以呈现针对特定应用定制的电磁特性，并且可以用于使用其他解决方案可能困难、不切小型天线的实现是s（ω）如果ωωse=min，则为−1<=0，如果ωse<ω ωωsh=max1LRCL1、LL CR传统UWB天线[123. 超宽带天线设计Z（ω）=j<$ωLR−1<$（4）Y（ω）=j（5）其中，β（ω）、s（ω）、 Z（ω）和Y（ω）是频率的函数，分别表示天线结构的色散关系、符号函数、阻抗和导纳。串联和并联谐振频率分别为1天线系统的传输系数是UWB天线时域性能的重要频域指标[16]。UWB天线设计的指导原则总结如下：✓ 具有低Q的行波天线可以是非常宽带的。✓ 包含锥形或圆形边缘的天线往往提供宽带宽性能，因为它们的表面电流具有平滑的路径[17]。✓ 线性极化的发射和接收天线是最简单的实现在一个紧凑的平面封装。ωse=LRCL1ωsh= π（六）.（七）✓ 基板厚度的最小化和低损耗材料的使用使辐射效率最大化。✓ 具有印刷平面贴片的天线将具有间隙LL CR相速度与信号的能量传播方向（群速度）相同电容更小的间隙电容可以导致宽带宽性能。4. 天线配置ωvp=β=ω2LLCL（8）CRLH MTM单位单元包括串联电容和分流电感。串联电容可以通过以下方式实现：vg=∂β−1∂ω=ω2L LC L.（九）√√M. Alibakhshi-Kenari等人/ICT Express 2（2016）7577在贴片上印刷间隙，并且可以通过构造通过金属通孔接地的薄微带线来如果折射率为正，则该材料被称为与RH材料不同，在这项研究中，我们使用了电磁带隙（EBG）单元作为辐射单元，这是最简单的78M. Alibakhshi-Kenari等人/ICT Express 2（2016）75≤ −×××≤ −× ××=Fig. 1. CRLH MTM天线单元的等效电路模型。图二.建议的微型UWB MTM天线，它由三个单元格的基础上CRLH-TL的配置。(a)等轴测图和（b）带有详细尺寸的俯视图。一种实现串联电容和并联电感的方法。图2所示的天线结构由三个单元组成，包括两个在矩形贴片中蚀刻的紧密间隔的I形槽和通过通孔接地的螺旋电感器该结构的等效电路模型如图1所示。在每个单元格中，印刷到矩形贴片中的I形间隙充当串联电容（CL），并且伴随金属通孔的螺旋电感器充当分流电感（LL）。传输线具有RH寄生效应，其可以被解释为并联电容（CR）和串联电感（LR）。并联电容主要来源于贴片和电容器之间的间隙电容。接地，并且不可避免的电流在贴片上流动并建立串联电感，从而表明该电容和电感不能被忽略。在这种结构中，端口1由输入信号激励，端口2与50-▲负载阻抗匹配。所提出的天线具有小的占地面积（15 7. 87 1. 6 mm3）和S1110dB，如图所示如图3所示。这种配置使得可以将天线与集成RF电子器件相结合。图三. 回波损耗参数。表1与其他报道的天线的比较。[19]20 × 25 × 0。8 3.45[20] 60× 5× 5 0.82建议天线15×7。87× 1。6 3可以通过改变印刷的I形间隙的边缘之间的距离来调节串联电容。该特征提供了可用于改变天线性能的其他重要参数我们使用印刷平面的方法来产生间隙电容。这使我们能够选择适当的电容间隙印刷到矩形贴片，使天线可以小型化，其阻抗带宽可以提高。5. 天线性能CRLH MTM天线构造在Rogers RT/Duroid5880基底上，具有1.6mm的高度、2.2的介电常数和tanS0。0001.图2中的天线的物理尺寸是157。871. 6 mm 3（0. 15 λo0. 07 λo0. 01λo，其中λo是在3GHz）。使用Agilent Advanced Design System（ADS）（全波EM软件）获得结果。图3中的回波损耗（S11）表明，所提出的天线 具有从3到10.6 GHz的UWB工作带宽， S1110 dB，这对应于111%的分数带宽。所需天线的辐射增益方向图 在5、8和10.5 GHz下的测量结果如图4所示。天线在整个平面上辐射。在5、8、10.5 GHz的点频率处的增益分别为6.30、8.56和9.41 dBi。此外，辐射效率在5 GHz时为75.40%，在8 GHz时为94%，在10.5 GHz时为99.93%。天线的增益和效率通常在2.89 dBi和38.54%以上，峰值分别为9.41 dBi和99.93%。该天线与其他几种UWB天线进行了比较， 尺寸和辐射特性，如表1所示。这些结果证实，所提出的天线是适合于现代无线通信系统，特别是，UWB应用。参考尺寸（mm3）带宽（GHz）增益（dBi）[18个国家]12× 12 × 3。332.34-2.541M. Alibakhshi-Kenari等人/ICT Express 2（2016）7579× × ××≤ −系统和UWB应用。该天线由三个CRLH MTM单元组成，其中每个单元通过在内部嵌入两个彼此靠近的I形槽来实现通过电感螺旋线接地的辐射贴片，电感螺旋线使用金属过孔接地。该天线工作在7.6 GHz的频率跨度从3到10.6 GHz的S1110 dB。紧凑型天线的尺寸为15 7. 87 1. 6mm 3（0. 15 λo0. 07 λo0. 01λo，其中λo是3 GHz时的自由空间波长）。引用见图4。在（a）5、（b）8和（c）10.5 GHz处，所提出的天线在仰角平面中的辐射方向图。6. 结论基于CRLH MTM的小型超宽带天线被证明是可行的现代无线通信[1] 匿名，FCC关于超宽带技术的第一份报告和命令，2002年2月[2] 王永杰，等，新型微带集成超宽带天线的移动UWB设备，在：无线电和无线会议论文集，2003年，第100页。87比90[3] T. 谷口T.Kobayashi，一种用于FCC批准的UWB频带的全向和低VSWR460-463[4] W. 索 格 尔 角 Waldschleman ， W.Wiesbeck ， 用 于 超 宽 带 通 信 的Vivaldi 天 线 和 对 数 周 期 偶 极 阵 列 的 瞬 态 响 应 ， 在 ： IEEEInt.Symposium on Unknas and Propagation ，Columbus， OH ，第3卷，2003年6月，pp.592-595[5] C. Caloz，T.伊藤，电磁超材料：传输线理论和微波应用，Wiley，纽约，2006。[6] N. Engheta，R.W.陈文生，《超材料：物理与工程探索》，北京：科学出版社，2006。[7] R.A. Sadeghzadeh，M. Alibakhshi-Kenari，M. Naser-Moghadasi，基于SCRLH-TL的超宽带天线用于便携式无线设备，Microw. 选购配件技术信函58（1）（2016）69-71。[8] M. Alibakhshi-Kenari，M. Naser-Moghadasi，R.A. Sadeghzadeh，B.S.Virdee，用于UWB收发器和便携式微波手机集成的基于超材料的天线，Int. J. 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