基于RIS的高度小型化双频微带天线设计*

蒲 瑞，刘运林

（西南交通大学电磁所，四川 成都 610031）

0 引言

随着现代科技的快速发展，各种便携式无线设备对于智能化与小型化的需求越来越高。微带贴片天线具有低剖面、重量轻、制造成本低以及易于和电路集成等优点，因此被广泛用于现代无线通信系统。然而，传统的微带贴片天线通常是半波谐振结构，对于便携式和手持式无线设备而言，其体积过于庞大[1]。为了使微带天线更好地应用于无线通信系统，就需要实现微带天线的小型化设计。同时，为了让天线的用途更广，需要天线工作在多个频带[2]。因此，高度小型化的多频带微带天线设计具有远阔的市场应用潜力。

在微带天线的小型化研究中，人们进行了大量的研究工作。Salih等人利用短路针与缺陷地结构来实现微带天线的小型化，使得天线尺寸缩减了74%[3]，但是这种天线增益很低，在低频时增益仅为 -1.7 dBi。Oraizi等人将Giuseppe Peano分形理论与Sierpinski Carpet分形理论共同应用于天线设计，不仅极大地缩减了天线尺寸，而且获得了非常宽的带宽[4]。但是，该天线结构复杂，增加了加工的难度。Shakib等人设计出了一种多层微带天线，该天线通过加载短路墙的方式来达到缩减微带天线的目的，利用贴片之间的电磁耦合来改善带宽[5]。结果表明，该天线具有107.46%的相对带宽，并且尺寸小，但是其结构不易固定，现实中容易损坏。Chatterjee等人利用RIS结构，设计出了一款小型圆极化天线[6]，该款天线各方面性能都较好，但是，天线尺寸缩减率小，没有实现天线的高度小型化。

基于此，本文提出了一种基于RIS结构的高度小型化双频微带天线。该天线通过对Giuseppe Peano分形贴片[7]进行短路针加载、在分形贴片的下方放置电抗性阻抗表面（Reactive Impedance Surfaces，RIS）结构来实现高度小型化，并在地面开槽来改善天线的阻抗匹配。该天线具有尺寸非常小、双频带工作、增益良好、结构相对简单以及易于固定等优点。通过HFSS仿真表明，该天线工作在2.27～2.34 GHz、4.37～4.79 GHz频段，在低频段与高频段的最高增益分别可达1.628 dBi和6.9 dBi，并且天线贴片尺寸缩减率高达69%。

1 RIS结构

PEC和PMC表面都与它们上方的天线具有强耦合，所以不适合作为天线的接地平面。为了减小耦合带来的不利影响，Hossein Mosallaei等人首次提出了电抗性阻抗表面(RIS)结构。该结构是通过在带有PEC接地板的介质基板上印刷周期性贴片阵列而成，如图1所示。RIS表面阻抗可由下面公式得到[8]：

其中：

通过这些公式，可以确定RIS结构的呈现感性电抗的频段，如果天线工作频段落在该频段内，便可以抵消贴片的近场电容，以提升天线性能。通过HFSS仿真，得到本文RIS结构的反射相位随频率变化曲线，如图2所示。当频率小于6.35 GHz时，RIS结构表面阻抗为感性，大于6.35 GHz时，RIS结构表面阻抗为容性。提出的天线两个谐振频率都小于6.35 GHz，此时RIS结构表面阻抗为感性，能有效地提升天线性能。

研究表明[9]，电抗性阻抗表面（Reactive Impedance Surfaces，RIS）结构对于提高微带天线的阻抗带宽非常有效，并且还能有效地减小天线尺寸，故在天线设计中引入这种结构是一种很好的选择。

图1 RIS结构

图2 RIS单元的反射相位

2 天线设计

短路针加载技术与分形技术同样能有效的实现天线的小型化，本设计将分形技术、RIS结构和短路针技术结合，提出了一种结构新颖的小型双频微带天线，其结构如图3所示。

所设计的天线具有两层介质基板和三层PCB结构，其中最上层印刷的是如图3(b)所示的分形结构的微带贴片，中间层印刷的是如图1所示的由4×4的金属贴片方阵构成的RIS周期结构，最下层是开有U型槽的地板（如图3(c)所示，尺寸为Lg×Lg）。

两层介质基板都采用Rogers RO4003(tm)材料(εr=3.55)厚度分别为h1、h2。所提出的天线采用50Ω的SMA同轴探针接头进行馈电，馈电点位于x轴轴线上，与坐标原点的距离为Fx。馈电点附近加载了一个短路针，短路针到馈电点的距离为Dx。设计天线时，在辐射贴片的馈电点位置开一圆环槽，以改善阻抗匹配。

图3 天线结构

辐射贴片的大小为Lp×Lp，将Giuseppe Peano分形技术应用在贴片的三条边，分形槽的长度都为LS，其中一边的分形槽深度为WS，另外两条边的分形槽深度为S。需要注意的是，该天线采用的分形结构与普通的Giuseppe Peano分形贴片不同，只在其中三条边采用分形结构，并且分形凹槽的深度不一样。

矩形微带天线的尺寸由谐振频率、介质介电常数、介质基板厚度决定，可以由下面公式[10]计算得出：

其中，w、L分别代表贴片宽、长，f代表谐振频率，h代表介质板高度，εr代表介质板的介电常数，c代表光速。在设计天线的起初，需要用该公式计算贴片尺寸。

由上面公式计算得出的尺寸只是一个粗略值，利用HFSS仿真优化，得到了天线的各个参数值如表1所示。

表1 天线结构参数值

3 仿真与分析

通过HFSS软件对天线模型进行仿真与优化，并在此基础之上对分形槽深度S以及短路针位置Dx等参数以及RIS结构与短路探针加载与否对天线性能的影响进行了分析。

如图4所示，随着分形槽深度S的增加，高频段的带宽增加、阻抗匹配越好，而低频段几乎不变化，并且当S=3 mm时整体性能最好。由此可见，分形槽深度S仅对天线的高频段谐振特性有影响。如图5所示，短路针位置变化对低频段影响明显，而对高频段的影响很小。随着Dx的减小，低频段的阻抗匹配效果逐渐变好，这里选取Dx=3 mm为天线在低频段性能最佳。

图4 S对S11的影响

图5 Dx对S11的影响

RIS结构能够实现天线的小型化并改善阻抗匹配，通过图6可以看出，加上RIS结构后，天线的两个谐振频率皆有下降，这就实现了天线的小型化，并且谐振频率处的阻抗匹配情况有很大改善，高频段的带宽增加了100 MHz。可见，RIS结构提高了设计天线的性能。短路针在该天线的小型化中起到了很重要的作用，图7给出了有无短路探针加载情况下的天线谐振性能对比，可以看出短路针的作用是在2.3 GHz处引入一个新的低频，从而实现天线的小型化。

图6 RIS对天线的影响

图7 短路针对天线的影响

设计天线的阻抗带宽和增益如图8所示。天线有两个工作频带，分别为2.27～2.34 GHz和4.37～4.79 GHz，对应的带宽分别为70 MHz、420 MHz。天线在低频带的增益平均为1.5 dBi、在高频带平均增益为5 dBi，对于小型化天线来说，增益良好。天线在谐振频率处的方向图绘制于图9中。可见，天线在f=2.3 GHz、f=4.52 GHz时，E面和H面的主射方向都在0。附近，并且0。方向的增益都较好。

相同条件下，谐振频率为2.3 GHz的普通矩形贴片尺寸为43mm×43mm，而本文通过结合RIS结构、Giuseppe Peano分形理论、短路针加载这三种技术，让尺寸仅为10mm×10mm的贴片就能工作于2.3 GHz，相当于让天线达到了69%的尺寸缩减率。

表2给出了设计的天线与其它文章中天线性能参数的比较。比较来看，设计的天线尺寸缩减率比参考文献[11]、[12]高，具有明显的小型化优势。虽然设计的天线尺寸缩减率比参考文献[3]小了5%，但是设计天线的增益相较而言具有显著的提升。综合来看，本文设计的天线同时具有高度小型化、高增益优势。

图8 天线的带宽与增益

图9 天线在谐振频率处的辐射方向

表2 天线参数比较

4 结语

设计了一种基于RIS结构的高度小型化双频微带天线。设计天线可工作于2.27～2.34 GHz和4.37～4.79 GHz两个频段，低频段和高频段平均增益分别为1.5 dBi、5 dBi，最高可达1.628 dBi、6.9 dBi。天线贴片尺寸仅为10 mm×10 mm，整体尺寸为0.24λ0×0.24λ0×0.04λ0(λ0为2.3 GHz处的自由空间波长)，具有高度小型化优势。