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1 引言 隨著現(xiàn)代無線通信的發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備對(duì)天線的要求越來越高，具有覆蓋多頻段、成本低廉的小型化天線是現(xiàn)今研究的主要方向。人工異向介質(zhì)（Metamaterial）的實(shí)現(xiàn)尤其是復(fù)合左右手傳輸線（CRLH-TL）的提出為微波器件的小型化提供了新的方法，運(yùn)用CRLH-TL特有的零諧振（ZOR）現(xiàn)象，可以突破傳統(tǒng)諧振器尺寸受諧振波長(zhǎng)的限制，實(shí)現(xiàn)天線的小型化。多種運(yùn)用零諧振的小型化天線已經(jīng)被提出，但多數(shù)天線帶寬較窄，加載結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了應(yīng)用范圍。 本文提出了一種加載零諧振單元的平面單極子天線，在共面波導(dǎo)饋電的平面單極子的基礎(chǔ)上通過加載電容電感實(shí)現(xiàn)單個(gè)零諧振單元，在原單極子的高頻諧振之外引入新的較低頻率諧振頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了多頻特性。所設(shè)計(jì)天線工作頻帶可以覆蓋無線局域網(wǎng)（WLAN）的兩種主流協(xié)議WiFi（2.40 GHz-2.48 GHz，5.15 GHz-5.80 GHz）與WiMAX（3.3 GHz-3.8 GHz）的通信頻帶。該天線結(jié)構(gòu)均設(shè)計(jì)在單層板上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效的減少了制作成本。 2 天線設(shè)計(jì) 天線的主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該天線主體由矩形單極子貼片和交指電容與接地細(xì)線電感組成的零諧振單元組成。天線制作在相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，厚度h=1.6 mm的FR-4基板上，基板尺寸a×b=40mm×30mm。天線采用阻抗為50 Ω的共面波導(dǎo)饋電，天線所有結(jié)構(gòu)與地板都刻蝕在介質(zhì)板同側(cè)。 天線主體為單極子，其總長(zhǎng)度L2對(duì)應(yīng)為高諧振頻率的四分之一波長(zhǎng)，單極子左端通過加載串聯(lián)的交指電容與接地細(xì)線電感構(gòu)成一個(gè)零諧振單元，交織數(shù)量N與長(zhǎng)度lc、細(xì)線電感的長(zhǎng)度W2+L2與寬度wl控制電容與電感值確定零諧振頻率，這樣便可實(shí)現(xiàn)高低頻段的獨(dú)立控制。 在天線設(shè)計(jì)過程中，首先設(shè)計(jì)單極子工作在5.2Ghz左右，確定單極子長(zhǎng)度L1，然后在單極子的左邊加載交指電容與細(xì)線電感引入較低的諧振頻率，交織的數(shù)量N與長(zhǎng)度lc和細(xì)線總長(zhǎng)W2+L2與寬度wl均可通過近似公式獲得。最后在全波仿真軟件HFSS中優(yōu)化設(shè)計(jì)確定具體參數(shù)。圖2中可以看出，通過加載零諧振單元在沒有增加單極子長(zhǎng)度的情況下有效的引入了新的低頻頻段。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 為了驗(yàn)證該加載零諧振單元的單機(jī)自天線設(shè)計(jì)方法的有效性，基于圖2中給出的天線設(shè)計(jì)尺寸，我們加工了一個(gè)實(shí)物樣品并且進(jìn)行了回波損耗，方向圖等參數(shù)的測(cè)量，樣品天線的照片見圖3。 天線仿真與實(shí)測(cè)的回波損耗見圖4。從圖中可以看出，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，天線的實(shí)測(cè)回波損耗10dB帶寬可以覆蓋WiFi（2.40 GHz-2.48 GHz，5.15 GHz-5.80 GHz）與WiMAX（3.3 GHz-3.8 GHz）的通信頻帶，滿足設(shè)計(jì)要求。 天線仿真的電流分布見圖5，從圖中可以看出在2.45 GHz左右，電流集中在細(xì)線電感和交指電容上，并且震蕩電流相位一致，符合零諧振的特點(diǎn)。3.5 GHz左右電流從饋線和電感向交織集中產(chǎn)生震蕩。5.5 GHz左右單極子主體電流密度較大，單極子為主要輻射體,同時(shí)加載交指電容與細(xì)線電感對(duì)電流分布有一定的影響。 圖6給出了該天線在三個(gè)工作頻段的仿真與測(cè)試方向圖，可以看到在較低頻率天線的全向性較好，輻射方向比較一致，在高頻段。隨著頻率的升高，輻射方向圖有一定的惡化，其原因是加載交指電容與細(xì)線電感對(duì)原單極子電流分布產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致輻射方向有一定的偏移。在測(cè)試過程中由于條件限制xy平面交叉極化測(cè)試結(jié)果相比仿真結(jié)果有較大偏差。同時(shí)天線的增益仿真與測(cè)試曲線也在圖7中給出，可以看到天線的增益在工作頻帶內(nèi)均在2.2dBi以上，可以滿足其在小型WLAN設(shè)備上的應(yīng)用。 4 結(jié)論 本文提出了一種加載零諧振單元的三頻單極子天線，該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自造容易，并且天線主體尺寸很小，測(cè)試結(jié)果表明此天線可以覆蓋WiFi和WiMAX兩種無線局域網(wǎng)協(xié)議的三個(gè)工作頻帶，適用于小型無線終端，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。 |
