牛兵建—基于复合左右手传输线的宽带高效率天线研究

1、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：2014.05.17http:/ 多频段、宽频带、小尺寸、性能优良、价格低廉和易于集成集成化、小型化多功能、大容量http:/ A composite or structured material that exhibits properties not found in naturally occurring materials or compounds.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.

2、 R. SmithG. V. EleftheriadesT. ItohE. YabnolovitchS. Johnhttp:/ 负折射效应（Negative Refraction Index）、逆契伦科夫辐射（Reversed Cerenkov Radiation）、逆多普勒效应（Reversed Doppler Effect）、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http:/ 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；http:/ 左手传输线CRLH传输线htt

3、p:/ )RRRRLLLLLCjsL CL CLC http:/ LLBWGGCLLC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。http:/ ( /)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11VSWRBWQ VSWR/()rinrrlPPPPP 天线带宽增大，使得效率降低h

4、ttp:/ network analyzer E5071CEM anechoic chamber SEMA-1Bhttp:/ Reflection Coefficient dBFrequency GHz Simulated MeasuredZOR模式：1.75-2.05 GHz，相对带宽为15.79% FOR模式：2.68-3.59 GHz，相对带宽为29.03% http:/ Radiation Efficiency Peak GainFrequency GHzRadiation Efficiency %-101234Peak Gain dB众所周知，天线的效率主要受介质损耗的影响。事实上，

5、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：1.50 dBi-1.94 dBi，84.31%-92.09%FOR模式：1.99 dBi-3.03 dBi，74.83%-88.02%http:/ 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http:/ - 3.76 GHz，能够工作于GSM 1900 (1.85-1.91 GHz/ 1.93-1.99 GHz)、UMTS (1.92-2.17

6、 GHz)、LTE 2300/ 2500 (2.305-2.4 GHz/2.5-2.69 GHz)、WLAN (2.4-2484 GHz)和WiMAX (2.5-2.69 GHz/3.3-3.69 GHz)等宽带无线通信系统。1.01.52.02.53.03.54.04.5-30-25-20-15-10-50n=1n=0 Reflection Coefficient dBFrequency GHz Simulated Measuredhttp:/ Radiation Efficiency Peak GainFrequency GHzRadiation Efficiency %-101234Pe

7、ak Gain dB1.52.02.53.03.54.020406080 Radiation Efficiency Peak GainFrequency GHzRadiation Efficiency %-101234Peak Gain dBhttp:/ 传统的超材料天线能够实现小型化，却一直面临带宽窄的缺点，开展宽带高效率天线的研究，有助于促进超材料天线技术的发展。1. 超材料与单极性相结合的技术充分发挥单极性天线的宽频带和超材料天线的小型化等优势，并将两者的谐振频率融合在一个频段里。2.频率可调谐技术重构天线工作状态，实现谐振频率连续可调，从而能够覆盖多个不同频段。3.多谐振结构技术采用多

8、个电流路径形成多个谐振结构，获得多个谐振频率。4.多频融合技术不改变天线尺寸的情况下，仅通过改变电抗参数，通过融合多个相邻的谐振模式，以实现天线的宽频带特性。http:/ 电流沿中心信号线流动寄生右手串联电感LR；交指电容构成左手串联电容CL；左手并联电感LL由连接在中心信号线和ACPW地板之间的短路弯折线构成；缝隙电容构成左手并联电容CR;pwg1l1l2l3d1d2S1S256.32.5http:/ MWS和Ansoft HFSS对天线结构进行联合仿真，建模出标准的SMA接头，提高仿真的精度和设计的效率。该天线具有无通孔、成本低、加工方便和简单紧凑等优

9、点。http:/ Coefficient dBFrequency GHz Simulated Measured2.02.53.03.54.0020406080 Radiation Efficiency Peak GainFrequency GHzRadiation Efficiency %01234Peak Gain dBZOR和FPOR的谐振频率为2.36 GHz和3.3 GHz，在低频段的两个谐振点分别为负一阶谐振（FNOR）和负二阶谐振（SNOR）。天线能够工作在2.1 GHz - 3.82 GHz频段内，阻抗带宽达到了1720 MHz，相对带宽为58.1%。实测的增益在1.31 dBi

10、 - 3.49 dBi范围内变化，其对应的实测效率在63.8% - 78.46%范围内变化。该天线具有简单紧凑、无集总元件、较宽的带宽、较高的效率和全向性辐射等优点，能够应用于LTE 2300/ 2500 、WLAN 和WiMAX。http:/ GHz,应用于WLAN、WBAN和认知无线电。设计高隔离度MIMO天线系统，具有广泛的应用价值。超材料与MIMO天线http:/ Y Axis TitleX Axis Titlehttp:/ Bing-Jian Niu, Quan-Yuan Feng, and Pan-Lin Shu, “Epsilon Negative Zeroth- and Fir

11、st-Order Resonant Antennas with Extended Bandwidth and High Efficiency”, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.61, no.12, pp.5878-5884, Dec. 2013 (SCI Indexed: 000328044200004, SCI二区二区)2. Bing-Jian Niu, Quan-Yuan Feng, “Bandwidth enhancement of asymmetric coplanar waveguide (ACPW)-fed

12、antenna based on composite right/left-handed transmission line,” Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, vol.12, pp.563-566, 2013. (SCI Indexed: 000319008500001, SCI三区三区)3. Bing-Jian Niu, Quan-Yuan Feng, “Bandwidth Enhancement of CPW-Fed Antenna Based on Epsilon Negative Zeroth- and First-O

13、rder Resonators”, Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, vol.12, pp.1125-1128, 2013. (SCI Indexed: 000324943200007, SCI三区三区) 4. Bing-Jian Niu, Quan-Yuan Feng, “A novel broadband asymmetric coplanar waveguide (acpw)-fed zeroth-order resonator antenna based on epsilon negative transmission l