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1 引言 隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展，移動(dòng)設備對天線(xiàn)的要求越來(lái)越高，具有覆蓋多頻段、成本低廉的小型化天線(xiàn)是現今研究的主要方向。人工異向介質(zhì)（Metamaterial）的實(shí)現尤其是復合左右手傳輸線(xiàn)（CRLH-TL）的提出為微波器件的小型化提供了新的方法，運用CRLH-TL特有的零諧振（ZOR）現象，可以突破傳統諧振器尺寸受諧振波長(cháng)的限制，實(shí)現天線(xiàn)的小型化。多種運用零諧振的小型化天線(xiàn)已經(jīng)被提出，但多數天線(xiàn)帶寬較窄，加載結構復雜，限制了應用范圍。 本文提出了一種加載零諧振單元的平面單極子天線(xiàn)，在共面波導饋電的平面單極子的基礎上通過(guò)加載電容電感實(shí)現單個(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)現了多頻特性。所設計天線(xiàn)工作頻帶可以覆蓋無(wú)線(xiàn)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(xiàn)結構均設計在單層板上，結構簡(jiǎn)單有效的減少了制作成本。 2 天線(xiàn)設計 天線(xiàn)的主體結構示意圖如圖1所示。該天線(xiàn)主體由矩形單極子貼片和交指電容與接地細線(xiàn)電感組成的零諧振單元組成。天線(xiàn)制作在相對介電常數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(xiàn)采用阻抗為50 Ω的共面波導饋電，天線(xiàn)所有結構與地板都刻蝕在介質(zhì)板同側。 天線(xiàn)主體為單極子，其總長(cháng)度L2對應為高諧振頻率的四分之一波長(cháng)，單極子左端通過(guò)加載串聯(lián)的交指電容與接地細線(xiàn)電感構成一個(gè)零諧振單元，交織數量N與長(cháng)度lc、細線(xiàn)電感的長(cháng)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)現高低頻段的獨立控制。 在天線(xiàn)設計過(guò)程中，首先設計單極子工作在5.2Ghz左右，確定單極子長(cháng)度L1，然后在單極子的左邊加載交指電容與細線(xiàn)電感引入較低的諧振頻率，交織的數量N與長(cháng)度lc和細線(xiàn)總長(cháng)W2+L2與寬度wl均可通過(guò)近似公式獲得。最后在全波仿真軟件HFSS中優(yōu)化設計確定具體參數。圖2中可以看出，通過(guò)加載零諧振單元在沒(méi)有增加單極子長(cháng)度的情況下有效的引入了新的低頻頻段。 3 實(shí)驗結果及分析 為了驗證該加載零諧振單元的單機自天線(xiàn)設計方法的有效性，基于圖2中給出的天線(xiàn)設計尺寸，我們加工了一個(gè)實(shí)物樣品并且進(jìn)行了回波損耗，方向圖等參數的測量，樣品天線(xiàn)的照片見(jiàn)圖3。 天線(xiàn)仿真與實(shí)測的回波損耗見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，測試結果與仿真結果基本吻合，天線(xiàn)的實(shí)測回波損耗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(mǎn)足設計要求。 天線(xiàn)仿真的電流分布見(jiàn)圖5，從圖中可以看出在2.45 GHz左右，電流集中在細線(xiàn)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(xiàn)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)加載交指電容與細線(xiàn)電感對電流分布有一定的影響。 圖6給出了該天線(xiàn)在三個(gè)工作頻段的仿真與測試方向圖，可以看到在較低頻率天線(xiàn)的全向性較好，輻射方向比較一致，在高頻段。隨著(zhù)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線(xiàn)電感對原單極子電流分布產(chǎn)生了影響，導致輻射方向有一定的偏移。在測試過(guò)程中由于條件限制xy平面交叉極化測試結果相比仿真結果有較大偏差。同時(shí)天線(xiàn)的增益仿真與測試曲線(xiàn)也在圖7中給出，可以看到天線(xiàn)的增益在工作頻帶內均在2.2dBi以上，可以滿(mǎn)足其在小型WLAN設備上的應用。 4 結論 本文提出了一種加載零諧振單元的三頻單極子天線(xiàn)，該天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單，自造容易，并且天線(xiàn)主體尺寸很小，測試結果表明此天線(xiàn)可以覆蓋WiFi和WiMAX兩種無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議的三個(gè)工作頻帶，適用于小型無(wú)線(xiàn)終端，具有良好的應用價(jià)值。 |
