一種應用于WiFi和WiMAX的加載零諧振單元的三頻單極子天線(xiàn)

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（2.40GHz-2.48GHz，5.15GHz-5.80GHz）與WiMAX（3.3GHz-3.8GHz）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=1.6mm的FR-4基板上，基板尺寸a×b=40mm×30mm。天線(xiàn)采用阻抗為50Ω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。

圖1天線(xiàn)主體結構圖（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(xiàn)的回波損耗

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。