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1 引言 隨著現代無線通信的發展，移動設備對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今研究的主要方向。人工異向介質（Metamaterial）的實現尤其是復合左右手傳輸線（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的限制，實現天線的小型化。多種運用零諧振的小型化天線已經被提出，但多數天線帶寬較窄，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，在共面波導饋電的平面單極子的基礎上通過加載電容電感實現單個零諧振單元，在原單極子的高頻諧振之外引入新的較低頻率諧振頻率，進而實現了多頻特性。所設計天線工作頻帶可以覆蓋無線局域網（WLAN）的兩種主流協議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。該天線結構均設計在單層板上，結構簡單有效的減少了制作成本。 2 天線設計 天線的主體結構示意圖如圖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線電感組成的零諧振單元組成。天線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。天線采用阻抗為50 Ω的共面波導饋電，天線所有結構與地板都刻蝕在介質板同側。 天線主體為單極子，其總長度L2對應為高諧振頻率的四分之一波長，單極子左端通過加載串聯的交指電容與接地細線電感構成一個零諧振單元，交織數量N與長度lc、細線電感的長度W2+L2與寬度wl控制電容與電感值確定零諧振頻率，這樣便可實現高低頻段的獨立控制。 在天線設計過程中，首先設計單極子工作在5.2Ghz左右，確定單極子長度L1，然后在單極子的左邊加載交指電容與細線電感引入較低的諧振頻率，交織的數量N與長度lc和細線總長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中優化設計確定具體參數。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度的情況下有效的引入了新的低頻頻段。 3 實驗結果及分析 為了驗證該加載零諧振單元的單機自天線設計方法的有效性，基于圖2中給出的天線設計尺寸，我們加工了一個實物樣品并且進行了回波損耗，方向圖等參數的測量，樣品天線的照片見圖3。 天線仿真與實測的回波損耗見圖4。從圖中可以看出，測試結果與仿真結果基本吻合，天線的實測回波損耗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，滿足設計要求。 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。3.5 GHz左右電流從饋線和電感向交織集中產生震蕩。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,同時加載交指電容與細線電感對電流分布有一定的影響。 圖6給出了該天線在三個工作頻段的仿真與測試方向圖，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線電感對原單極子電流分布產生了影響，導致輻射方向有一定的偏移。在測試過程中由于條件限制xy平面交叉極化測試結果相比仿真結果有較大偏差。同時天線的增益仿真與測試曲線也在圖7中給出，可以看到天線的增益在工作頻帶內均在2.2dBi以上，可以滿足其在小型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，該天線結構簡單，自造容易，并且天線主體尺寸很小，測試結果表明此天線可以覆蓋WiFi和WiMAX兩種無線局域網協議的三個工作頻帶，適用于小型無線終端，具有良好的應用價值。 |
