一种应用于WiFi和WiMAX的加载零谐振单元的三频单极子天线

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                1  引言

                        随着现代无线通信的发展，移动设备对天线的要求越来越高，具有覆盖多频段、成本低廉的小型化天线是现今研究的主要方向。人工异向介质（Metamaterial）的实现尤其是复合左右手传输线（CRLH-TL）的提出为微波器件的小型化提供了新的方法，运用CRLH-TL特有的零谐振（ZOR）现象，可以突破传统谐振器尺寸受谐振波长的限制，实现天线的小型化。多种运用零谐振的小型化天线已经被提出，但多数天线带宽较窄，加载结构复杂，限制了应用范围。
                         
                        本文提出了一种加载零谐振单元的平面单极子天线，在共面波导馈电的平面单极子的基础上通过加载电容电感实现单个零谐振单元，在原单极子的高频谐振之外引入新的较低频率谐振频率，进而实现了多频特性。所设计天线工作频带可以覆盖无线局域网（WLAN）的两种主流协议WiFi（2.40 GHz-2.48 GHz，5.15 GHz-5.80 GHz）与WiMAX（3.3 GHz-3.8 GHz）的通信频带。该天线结构均设计在单层板上，结构简单有效的减少了制作成本。
                         
                        2  天线设计

                        天线的主体结构示意图如图1所示。该天线主体由矩形单极子贴片和交指电容与接地细线电感组成的零谐振单元组成。天线制作在相对介电常数εr=4.4，厚度h=1.6 mm的FR-4基板上，基板尺寸a×b=40mm×30mm。天线采用阻抗为50 Ω的共面波导馈电，天线所有结构与地板都刻蚀在介质板同侧。
                         
                        天线主体为单极子，其总长度L2对应为高谐振频率的四分之一波长，单极子左端通过加载串联的交指电容与接地细线电感构成一个零谐振单元，交织数量N与长度lc、细线电感的长度W2+L2与宽度wl控制电容与电感值确定零谐振频率，这样便可实现高低频段的独立控制。
                         
       

               

       

                图1  天线主体结构图（单位mm：L1=7.3, W1=7, L2=8.3, W2=3.6, lc=1.65, wc=0.45, s=0.4, wl=0.4, wf=1.6, sf=0.2）

       

               

       

                图2  单极子与加载零谐振单元天线的回波损耗

                         
                        在天线设计过程中，首先设计单极子工作在5.2Ghz左右，确定单极子长度L1，然后在单极子的左边加载交指电容与细线电感引入较低的谐振频率，交织的数量N与长度lc和细线总长W2+L2与宽度wl均可通过近似公式获得。最后在全波仿真软件HFSS中优化设计确定具体参数。图2中可以看出，通过加载零谐振单元在没有增加单极子长度的情况下有效的引入了新的低频频段。
                 
                        3  实验结果及分析

                        为了验证该加载零谐振单元的单机自天线设计方法的有效性，基于图2中给出的天线设计尺寸，我们加工了一个实物样品并且进行了回波损耗，方向图等参数的测量，样品天线的照片见图3。
                         
       

               

       

                图3  天线加工实物图

       

               

       

                图4  天线加工实物图

                         
                        天线仿真与实测的回波损耗见图4。从图中可以看出，测试结果与仿真结果基本吻合，天线的实测回波损耗10dB带宽可以覆盖WiFi（2.40 GHz-2.48 GHz，5.15 GHz-5.80 GHz）与WiMAX（3.3 GHz-3.8 GHz）的通信频带，满足设计要求。
                         
                        天线仿真的电流分布见图5，从图中可以看出在2.45 GHz左右，电流集中在细线电感和交指电容上，并且震荡电流相位一致，符合零谐振的特点。3.5 GHz左右电流从馈线和电感向交织集中产生震荡。5.5 GHz左右单极子主体电流密度较大，单极子为主要辐射体,同时加载交指电容与细线电感对电流分布有一定的影响。
                         
       

               

       

               

       

                图5  天现在各个频段上的电流分布

       

                 

                        图6给出了该天线在三个工作频段的仿真与测试方向图，可以看到在较低频率天线的全向性较好，辐射方向比较一致，在高频段。随着频率的升高，辐射方向图有一定的恶化，其原因是加载交指电容与细线电感对原单极子电流分布产生了影响，导致辐射方向有一定的偏移。在测试过程中由于条件限制xy平面交叉极化测试结果相比仿真结果有较大偏差。同时天线的增益仿真与测试曲线也在图7中给出，可以看到天线的增益在工作频带内均在2.2dBi以上，可以满足其在小型WLAN设备上的应用。