基于CRLH TL的小型化宽频带手机天线设计*

于磊+黄斌科+聂成成

【摘要】主要阐述基于复合左右手传输线（CRLH TL）零阶谐振模设计小型化宽频带的手机天线。该天线低频段由尺寸较大的零阶谐振天线决定，高频段由尺寸较小的零阶谐振天线决定，尺寸较大的零阶谐振天线的右手模式与尺寸较小的零阶谐振天线的零阶谐振模谐振在相邻的频带上实现频带融合，从而扩展高频段的带宽。该天线覆盖了GSM900、PCS、UMTS、Bluetooth和ISM2400五个移动通信频带，天线厚度仅为1mm，所占面积为37×15mm2。测试结果与仿真结果吻合，满足移动通信终端对手机天线的要求。

【关键词】复合左右手传输线手机天线零阶谐振模带宽扩展

中图分类号：TN828.6文献标识码：A文章编号：1006-1010(2014)-10-0074-05

Design of Miniaturized Broadband Phone Antenna Based on CRLH TL

YU Lei, HUANG Bin-ke, NIE Cheng-cheng

(The School of Electronic and Information Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

[Abstract] In this paper, the miniaturized broadband phone antenna is designed based on composite right/left-handed transmission line (CRLH TL) zeroth-order resonant (ZOR) mode. The low frequency of this antenna is determined by the longer ZOR antenna, while the high frequency is determined by the shorter ZOR antenna. The right-handed mode of the longer ZOR antenna and the ZOR mode of the shorter one can be merged to extend the bandwidth of high band if their resonant frequencies are adjacent. The antenna covers GSM900, PCS, UMTS, Bluetooth and ISM2400 frequency bands. Its thickness is only 1mm and its area is 37×15mm2. The test results agree well with the simulation results, which meets the requirements of mobile communication terminals for phone antennas.

[Key words]CRLH TLphone antennasZOR modebandwidth extension

1 引言

手机通信中通过天线实现调制到射频频率信号的发射和接收，因此，没有了天线就没有了移动通信。传统的手机天线有单极子、螺旋天线、贴片天线和平面倒F天线等，这些天线有一个共同点，即它们的谐振频率与天线的物理尺寸有关，不易进行小型化和宽频带的设计。为了克服这些问题，本文采用CRLH TL设计手机天线。

CRLH TL是一种人工实现的超材料结构，它的零阶谐振模式和左手谐振模式与天线的物理尺寸无关，只与天线寄生的集总参数有关。基于这种特性，在保证天线性能的情况下，可以实现小型化和宽频带。另外，CRLH TL还具有损耗小、频带宽和易于实现的优点，因此广泛应用于微波器件和天线设计中[1-2]。

近年来，将基于CRLH TL零阶谐振模的天线应用于移动通信手机系统中[3-4]，在天线低频段覆盖GSM850，高频段覆盖DCS、PCS和UMTS频段。由于单个谐振模的带宽有限，不能满足移动通信对带宽的要求，基于CRLH TL的两个零阶谐振模谐振在相邻的频率点上，频带相互融合从而扩展手机天线的带宽[5]；另外，对于CRLH TL网络，多个谐振模式共存，可以将相邻的模式融合来扩展频带，文献[6]中将零阶模与负一阶模融合以增强手机天线的带宽。

本文基于CRLH TL零阶模理论设计了小型化多频带的手机内置天线。天线的厚度仅为1mm，可同时覆盖GSM900（890—960MHz）、PCS（1 850—1 990MHz）、UMTS（1 920—2 170MHz）、Bluetooth（2 400—2 485MHz）、ISM2400（2 400— 2 550MHz）五个移动通信频带。

2 零阶谐振模理论

如图1所示，典型的CRLH TL等效电路是由串联电容、串联电感、并联电容和并联电感组成。

图1CRLH TL的等效电路

对于有耗CRLH TL，其电抗和导纳可以表示如下：

（1）

（2）

其中，R、G分别为有耗CRLH TL的串联电阻和并联电导。由串联电容、电感和并联电容、电感组成支路所对应的谐振频率分别为：

（3）

（4）

由N个CRLH TL单元级联而组成的周期结构可称为LC网络，对于终端开路的CRLH TL，各个谐振模式发生在[7]：

（5）

其中，l、n、N分别为CRLH TL的物理长度、谐振模数和单元数。

如图2所示，非平衡的CRLH TL有两个不相等的零阶谐振频率ωse和ωsh。

图2CRLH TL的色散曲线

对于终端开路传输线，ZL=∞，从CRLH TL的始端看进去的输入阻抗为：

（6）

其中，Y＇shunt是CRLH TL的单元的导纳。由式（6）可见，对于终端开路的CRLH TL，其输入阻抗只与单元的并联导纳的倒数和单元数有关，则平均电能储存在电容CR中，平均磁能储存在电感LL中，因此有：

NCR （7）

（8）

传输线谐振时满足We=Wm，则对应的品质因数为：

（9）

对于终端开路的CRLH TL，带宽与品质因数的关系为：

BW （10）

endprint

由式（10）可以看出，在同时增大并联电感LL和减小并联电容CR并保持并联谐振频率不变时，可使零阶谐振模的带宽有效扩宽。

3 基于CRLH TL零阶模的天线设计

本文基于CRLH TL单元实现手机天线设计。

如图3所示，A和B为辐射金属贴片；F为曲折馈线，印制在PCB板的上侧；C和D为曲折短路线，印制在PCB板的下侧；E为馈电端口；G为连接上侧辐射金属贴片和下侧曲折短路线的金属过孔。该天线可视作由两个相反方向上的零阶谐振天线组成。由辐射金属贴片A、金属过孔和连接地面的曲折短路线C组成的零阶谐振天线工作在较低的频段；由辐射金属贴片B、金属过孔和连接地面的曲折短路线D组成的零阶谐振天线工作在较高的频段。馈线F与辐射金属贴片A和B之间的间隔提供串联（左手）电容CL，曲折短路线C和D提供并联（左手）电感LL，辐射金属贴片A和B工作在右手模式提供串联电感LR和并联电容CR。由零阶谐振模理论可知，零阶模的谐振频率及带宽扩展由并联参数决定，在天线结构允许的情况下，并联电感LL应尽量大些。对于固定的辐射金属贴片A和B，通过调节曲折金属线C和D的长度来调节谐振频率。辐射金属贴片A和曲折短路线C的高阶模式也工作在高频段，其谐振频率由馈电点到曲折短路线C连接地面的短路点之间的总长度决定。通过合理设计，可以与辐射金属贴片B和曲折短路线D组成的零阶谐振模融合，从而扩展高频带宽。曲折馈线等效于一个带阻滤波器，可减小由BD组成的零阶谐振天线对由AC组成的零阶谐振天线零阶模的影响。

图3基于CRLH TL零阶模天线的设计

4 结果分析

该天线的尺寸参数和基本结构如图4所示。天线印制在介质FR4（εr=4.4）表面，介质板的整体尺寸为40×100×1mm3，其中天线所占面积为37×15mm2。馈线的宽度为0.5mm，曲折短路线的宽度为0.4mm，金属过孔的半径为0.2mm，天线使用特征阻抗为50Ω的同轴线馈电。

天线在不同频点上的电流分布如图5所示。

图5（a）是频率为930MHz的电流分布图，天线上的电流集中分布在由辐射金属贴片A和曲折短路线C组成的零阶谐振辐射部分。图5（b）、图5（c）、图5（d）分别是频率为1 900MHz、2 080MHz和2 500MHz的电流分布图，可见天线的电流分布由两部分组成：一是由辐射金属贴片B和曲折短路线D组成的零阶谐振辐射部分；二是从馈电点到曲折短路线C的短路点这一路径，为高阶谐振模式。由此可见，在高频区域，天线的谐振带宽是由BD部分的零阶谐振模式和AC部分的高阶模式融合而实现带宽扩展的。

基于CRLH TL零阶谐振模天线的反射系数如图6所示。

图6（a）中分别对只有AC组成的零阶谐振天线、BD组成的零阶谐振天线和整个天线进行仿真设计。由此可以看出，AC部分的谐振在低频段，高频段也有一定的谐振；BD部分的谐振在高频段，低频段几乎无谐振；整个天线在高低频均有谐振，在S11≤-6dB的情况下，带宽覆盖GSM900、PCS、UMTS、Bluetooth和ISM2400五个移动通信频段。AC组成的零阶谐振天线与整个天线相比可以看出，低频段的零阶谐振几乎无变化，这说明曲折馈线可以有效地减小BD组成的零阶谐振天线对AC组成的零阶谐振天线零阶模的影响。图6（b）为基于CRLH TL的手机天线的仿真结果与测试结果的反射系数，测试结果与仿真结果基本吻合，满足移动通信对带宽的要求。

天线在水平面上（xoz或H面，坐标见图4）的增益方向图近似全向，在工作频带上均满足移动通信对手机内置天线的要求。

5 结论

本文基于CRLH TL零阶模设计实现了覆盖五个移动通信频带的手机天线。天线的厚度为1mm，所占面积为37×15mm2，与传统的PIFA天线相比，基于CRLH TL零阶谐振模的天线具有低剖面、小型化和易于集成的优点。该天线工作带宽的仿真结果与测试结果基本吻合，满足移动通信对手机天线的性能要求。

参考文献：

[1] 龚建强,褚庆昕. 基于CRLH传输线结构实现平面微波器件的小型化[J]. 微波学报, 2009,25(1): 60-63.

[2] 杜国宏,唐小宏. 基于D-CRLH传输线的带阻滤波器[J]. 微波学报, 2011,27(1): 64-67.

[3] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multiband Antenna Based on CRLH TL ZOR for Wireless Mobile System[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2009,51(12): 2852-2855.

[4] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multi-band Antenna Based on DNG ZOR for Wireless Mobile System[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009,8(1): 920-923.

[5] Soon Ho Hwang, Tae Sik Yang, Joon Ho Byun, et al. Design and Analysis of Metamaterial Antenna for Mobile Handset Application[C]. Antennas and Propagation(EuCAP), 2009: 2563-3566.

[6] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. Bandwidth Enhancement of Metamaterial Antennas Based on Composite Right/Left-handed Transmission Line[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010(9): 36-39.

[7] A Lai, T Itoh, C Caloz. Composite Right/Left-handed Transmission Line Metamaterials[J]. IEEE Microw Mag, 2004(1): 34-50.★

作者简介

于磊：硕士毕业于西安交通大学电子与信息工程学院，主要研究方向为移动通信天线。

黄斌科：副教授，博士毕业于西安交通大学，2001年至2002年任香港城市大学研究助理，现任职于西安交通大学电信学院，主要研究方向为电磁场数值计算和无线通信终端天线。

聂成成：西安交通大学电子与信息工程学院在读硕士，主要研究方向为移动通信终端天线。

endprint

由式（10）可以看出，在同时增大并联电感LL和减小并联电容CR并保持并联谐振频率不变时，可使零阶谐振模的带宽有效扩宽。

3 基于CRLH TL零阶模的天线设计

本文基于CRLH TL单元实现手机天线设计。

如图3所示，A和B为辐射金属贴片；F为曲折馈线，印制在PCB板的上侧；C和D为曲折短路线，印制在PCB板的下侧；E为馈电端口；G为连接上侧辐射金属贴片和下侧曲折短路线的金属过孔。该天线可视作由两个相反方向上的零阶谐振天线组成。由辐射金属贴片A、金属过孔和连接地面的曲折短路线C组成的零阶谐振天线工作在较低的频段；由辐射金属贴片B、金属过孔和连接地面的曲折短路线D组成的零阶谐振天线工作在较高的频段。馈线F与辐射金属贴片A和B之间的间隔提供串联（左手）电容CL，曲折短路线C和D提供并联（左手）电感LL，辐射金属贴片A和B工作在右手模式提供串联电感LR和并联电容CR。由零阶谐振模理论可知，零阶模的谐振频率及带宽扩展由并联参数决定，在天线结构允许的情况下，并联电感LL应尽量大些。对于固定的辐射金属贴片A和B，通过调节曲折金属线C和D的长度来调节谐振频率。辐射金属贴片A和曲折短路线C的高阶模式也工作在高频段，其谐振频率由馈电点到曲折短路线C连接地面的短路点之间的总长度决定。通过合理设计，可以与辐射金属贴片B和曲折短路线D组成的零阶谐振模融合，从而扩展高频带宽。曲折馈线等效于一个带阻滤波器，可减小由BD组成的零阶谐振天线对由AC组成的零阶谐振天线零阶模的影响。

图3基于CRLH TL零阶模天线的设计

4 结果分析

该天线的尺寸参数和基本结构如图4所示。天线印制在介质FR4（εr=4.4）表面，介质板的整体尺寸为40×100×1mm3，其中天线所占面积为37×15mm2。馈线的宽度为0.5mm，曲折短路线的宽度为0.4mm，金属过孔的半径为0.2mm，天线使用特征阻抗为50Ω的同轴线馈电。

天线在不同频点上的电流分布如图5所示。

图5（a）是频率为930MHz的电流分布图，天线上的电流集中分布在由辐射金属贴片A和曲折短路线C组成的零阶谐振辐射部分。图5（b）、图5（c）、图5（d）分别是频率为1 900MHz、2 080MHz和2 500MHz的电流分布图，可见天线的电流分布由两部分组成：一是由辐射金属贴片B和曲折短路线D组成的零阶谐振辐射部分；二是从馈电点到曲折短路线C的短路点这一路径，为高阶谐振模式。由此可见，在高频区域，天线的谐振带宽是由BD部分的零阶谐振模式和AC部分的高阶模式融合而实现带宽扩展的。

基于CRLH TL零阶谐振模天线的反射系数如图6所示。

图6（a）中分别对只有AC组成的零阶谐振天线、BD组成的零阶谐振天线和整个天线进行仿真设计。由此可以看出，AC部分的谐振在低频段，高频段也有一定的谐振；BD部分的谐振在高频段，低频段几乎无谐振；整个天线在高低频均有谐振，在S11≤-6dB的情况下，带宽覆盖GSM900、PCS、UMTS、Bluetooth和ISM2400五个移动通信频段。AC组成的零阶谐振天线与整个天线相比可以看出，低频段的零阶谐振几乎无变化，这说明曲折馈线可以有效地减小BD组成的零阶谐振天线对AC组成的零阶谐振天线零阶模的影响。图6（b）为基于CRLH TL的手机天线的仿真结果与测试结果的反射系数，测试结果与仿真结果基本吻合，满足移动通信对带宽的要求。

天线在水平面上（xoz或H面，坐标见图4）的增益方向图近似全向，在工作频带上均满足移动通信对手机内置天线的要求。

5 结论

本文基于CRLH TL零阶模设计实现了覆盖五个移动通信频带的手机天线。天线的厚度为1mm，所占面积为37×15mm2，与传统的PIFA天线相比，基于CRLH TL零阶谐振模的天线具有低剖面、小型化和易于集成的优点。该天线工作带宽的仿真结果与测试结果基本吻合，满足移动通信对手机天线的性能要求。

参考文献：

[1] 龚建强,褚庆昕. 基于CRLH传输线结构实现平面微波器件的小型化[J]. 微波学报, 2009,25(1): 60-63.

[2] 杜国宏,唐小宏. 基于D-CRLH传输线的带阻滤波器[J]. 微波学报, 2011,27(1): 64-67.

[3] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multiband Antenna Based on CRLH TL ZOR for Wireless Mobile System[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2009,51(12): 2852-2855.

[4] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multi-band Antenna Based on DNG ZOR for Wireless Mobile System[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009,8(1): 920-923.

[5] Soon Ho Hwang, Tae Sik Yang, Joon Ho Byun, et al. Design and Analysis of Metamaterial Antenna for Mobile Handset Application[C]. Antennas and Propagation(EuCAP), 2009: 2563-3566.

[6] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. Bandwidth Enhancement of Metamaterial Antennas Based on Composite Right/Left-handed Transmission Line[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010(9): 36-39.

[7] A Lai, T Itoh, C Caloz. Composite Right/Left-handed Transmission Line Metamaterials[J]. IEEE Microw Mag, 2004(1): 34-50.★

作者简介

于磊：硕士毕业于西安交通大学电子与信息工程学院，主要研究方向为移动通信天线。

黄斌科：副教授，博士毕业于西安交通大学，2001年至2002年任香港城市大学研究助理，现任职于西安交通大学电信学院，主要研究方向为电磁场数值计算和无线通信终端天线。

聂成成：西安交通大学电子与信息工程学院在读硕士，主要研究方向为移动通信终端天线。

endprint

由式（10）可以看出，在同时增大并联电感LL和减小并联电容CR并保持并联谐振频率不变时，可使零阶谐振模的带宽有效扩宽。

3 基于CRLH TL零阶模的天线设计

本文基于CRLH TL单元实现手机天线设计。

如图3所示，A和B为辐射金属贴片；F为曲折馈线，印制在PCB板的上侧；C和D为曲折短路线，印制在PCB板的下侧；E为馈电端口；G为连接上侧辐射金属贴片和下侧曲折短路线的金属过孔。该天线可视作由两个相反方向上的零阶谐振天线组成。由辐射金属贴片A、金属过孔和连接地面的曲折短路线C组成的零阶谐振天线工作在较低的频段；由辐射金属贴片B、金属过孔和连接地面的曲折短路线D组成的零阶谐振天线工作在较高的频段。馈线F与辐射金属贴片A和B之间的间隔提供串联（左手）电容CL，曲折短路线C和D提供并联（左手）电感LL，辐射金属贴片A和B工作在右手模式提供串联电感LR和并联电容CR。由零阶谐振模理论可知，零阶模的谐振频率及带宽扩展由并联参数决定，在天线结构允许的情况下，并联电感LL应尽量大些。对于固定的辐射金属贴片A和B，通过调节曲折金属线C和D的长度来调节谐振频率。辐射金属贴片A和曲折短路线C的高阶模式也工作在高频段，其谐振频率由馈电点到曲折短路线C连接地面的短路点之间的总长度决定。通过合理设计，可以与辐射金属贴片B和曲折短路线D组成的零阶谐振模融合，从而扩展高频带宽。曲折馈线等效于一个带阻滤波器，可减小由BD组成的零阶谐振天线对由AC组成的零阶谐振天线零阶模的影响。

图3基于CRLH TL零阶模天线的设计

4 结果分析

该天线的尺寸参数和基本结构如图4所示。天线印制在介质FR4（εr=4.4）表面，介质板的整体尺寸为40×100×1mm3，其中天线所占面积为37×15mm2。馈线的宽度为0.5mm，曲折短路线的宽度为0.4mm，金属过孔的半径为0.2mm，天线使用特征阻抗为50Ω的同轴线馈电。

天线在不同频点上的电流分布如图5所示。

图5（a）是频率为930MHz的电流分布图，天线上的电流集中分布在由辐射金属贴片A和曲折短路线C组成的零阶谐振辐射部分。图5（b）、图5（c）、图5（d）分别是频率为1 900MHz、2 080MHz和2 500MHz的电流分布图，可见天线的电流分布由两部分组成：一是由辐射金属贴片B和曲折短路线D组成的零阶谐振辐射部分；二是从馈电点到曲折短路线C的短路点这一路径，为高阶谐振模式。由此可见，在高频区域，天线的谐振带宽是由BD部分的零阶谐振模式和AC部分的高阶模式融合而实现带宽扩展的。

基于CRLH TL零阶谐振模天线的反射系数如图6所示。

图6（a）中分别对只有AC组成的零阶谐振天线、BD组成的零阶谐振天线和整个天线进行仿真设计。由此可以看出，AC部分的谐振在低频段，高频段也有一定的谐振；BD部分的谐振在高频段，低频段几乎无谐振；整个天线在高低频均有谐振，在S11≤-6dB的情况下，带宽覆盖GSM900、PCS、UMTS、Bluetooth和ISM2400五个移动通信频段。AC组成的零阶谐振天线与整个天线相比可以看出，低频段的零阶谐振几乎无变化，这说明曲折馈线可以有效地减小BD组成的零阶谐振天线对AC组成的零阶谐振天线零阶模的影响。图6（b）为基于CRLH TL的手机天线的仿真结果与测试结果的反射系数，测试结果与仿真结果基本吻合，满足移动通信对带宽的要求。

天线在水平面上（xoz或H面，坐标见图4）的增益方向图近似全向，在工作频带上均满足移动通信对手机内置天线的要求。

5 结论

本文基于CRLH TL零阶模设计实现了覆盖五个移动通信频带的手机天线。天线的厚度为1mm，所占面积为37×15mm2，与传统的PIFA天线相比，基于CRLH TL零阶谐振模的天线具有低剖面、小型化和易于集成的优点。该天线工作带宽的仿真结果与测试结果基本吻合，满足移动通信对手机天线的性能要求。

参考文献：

[1] 龚建强,褚庆昕. 基于CRLH传输线结构实现平面微波器件的小型化[J]. 微波学报, 2009,25(1): 60-63.

[2] 杜国宏,唐小宏. 基于D-CRLH传输线的带阻滤波器[J]. 微波学报, 2011,27(1): 64-67.

[3] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multiband Antenna Based on CRLH TL ZOR for Wireless Mobile System[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2009,51(12): 2852-2855.

[4] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. A Compact Multi-band Antenna Based on DNG ZOR for Wireless Mobile System[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009,8(1): 920-923.

[5] Soon Ho Hwang, Tae Sik Yang, Joon Ho Byun, et al. Design and Analysis of Metamaterial Antenna for Mobile Handset Application[C]. Antennas and Propagation(EuCAP), 2009: 2563-3566.

[6] Jeong Keun Ji, Gi Ho Kim, Won Mo Seng. Bandwidth Enhancement of Metamaterial Antennas Based on Composite Right/Left-handed Transmission Line[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010(9): 36-39.

[7] A Lai, T Itoh, C Caloz. Composite Right/Left-handed Transmission Line Metamaterials[J]. IEEE Microw Mag, 2004(1): 34-50.★

作者简介

于磊：硕士毕业于西安交通大学电子与信息工程学院，主要研究方向为移动通信天线。

黄斌科：副教授，博士毕业于西安交通大学，2001年至2002年任香港城市大学研究助理，现任职于西安交通大学电信学院，主要研究方向为电磁场数值计算和无线通信终端天线。

聂成成：西安交通大学电子与信息工程学院在读硕士，主要研究方向为移动通信终端天线。

endprint