一種應(yīng)用于WiFi和WiMAX的加載零諧振單元的三頻單極子天線

1引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信的發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備對(duì)天線的要求越來(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(guò)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(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的兩種主流協(xié)議WiFi（2.40GHz-2.48GHz，5.15GHz-5.80GHz）與WiMAX（3.3GHz-3.8GHz）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=1.6mm的FR-4基板上，基板尺寸a×b=40mm×30mm。天線采用阻抗為50Ω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(guò)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。

圖1天線主體結(jié)構(gòu)圖（單位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）

圖2單極子與加載零諧振單元天線的回波損耗

在天線設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)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(guò)加載零諧振單元在沒(méi)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。