一種小型化的負介電常數零階諧振天線(xiàn)

1引言

近年來(lái)，基于特異材料傳輸線(xiàn)的小型化天線(xiàn)，由于特異材料傳輸線(xiàn)所具有的獨特色散特性，使該類(lèi)天線(xiàn)成為目前研究的熱點(diǎn)。當該類(lèi)天線(xiàn)在處于零階諧振工作模式時(shí)，其工作頻率與天線(xiàn)的物理尺寸無(wú)關(guān)。由于該諧振模式的優(yōu)越特性，使得天線(xiàn)的零階諧振頻率可以下降到非常低，從而達到小型化的目的?，F階段發(fā)展的特異材料傳輸線(xiàn)零階諧振天線(xiàn)大致可以分為三類(lèi)：復合左右手傳輸線(xiàn)零階諧振天線(xiàn),負磁導率零階諧振天線(xiàn)和負介電常數零階諧振天線(xiàn)。對于以上不同形式的天線(xiàn)的性能優(yōu)越性要求主要涉及到以下三方面，也即：輻射增益、工作帶寬和小型化程度。鑒于此，介紹了在地面上腐蝕等邊形的槽，以利于諧振器在零階諧振模式儲存較少的電磁能量的方法，有效地提高了該類(lèi)天線(xiàn)的增益；另一方面，對于如何展寬它們的工作帶寬，也提出了卓有成效的方法。但是，如何設計小型化程度更為優(yōu)越的特異材料傳輸線(xiàn)零階諧振天線(xiàn)還未見(jiàn)相關(guān)系統地報道。

基于特異材料傳輸線(xiàn)零階諧振天線(xiàn)的工作頻點(diǎn)，雖然與天線(xiàn)的物理電尺寸無(wú)關(guān)，但是由于天線(xiàn)本身是由傳輸線(xiàn)單元構成，致使其諧振頻率與天線(xiàn)的具體物理結構密切相關(guān)?？梢?jiàn)，如何設計小型化程度與增益、帶寬相互折衷的零階諧振天線(xiàn)，對以后在該類(lèi)天線(xiàn)的研究具有極為重要的意義。本文通過(guò)加載曲折線(xiàn)和寄生貼片的方式，成功設計出一種基于傳統的特異材料傳輸線(xiàn)的新型小型化負介電常數零階諧振天線(xiàn)。研究表明通過(guò)改變寄生貼片的尺寸，可以在較大的范圍內調節天線(xiàn)的零階諧振模式頻率。該工作對于將來(lái)設計在一定的空間尺寸要求下的特異材料傳輸線(xiàn)天線(xiàn)具有一定的參考價(jià)值。

2小型化負介電常數零階諧振天線(xiàn)設計

本文設計出了一種小型化的負介電常數零階諧振天線(xiàn)，其拓撲結構如圖1所示。在圖1（a）中，由于該天線(xiàn)的輻射阻抗相對于饋線(xiàn)的特性阻抗50Ω高得多,天線(xiàn)采用耦合饋電的形式使天線(xiàn)的輻射貼片部分與饋線(xiàn)部分達到良好匹配。天線(xiàn)的輻射貼片部分是由基于負介電常數傳輸線(xiàn)的一個(gè)單元組成。這種基于特異材料傳輸線(xiàn)單元，除了兼有傳統右手傳輸線(xiàn)寄生的分布參量串聯(lián)電感和并聯(lián)電容部分，還具有由于貼片與地連接的接地通孔而產(chǎn)生的并聯(lián)電感部分。

（a）

（b）

圖1（a）正視圖；（b）側視圖。具體的結構參數

為：L=16.08mm，W=16.08mm，L1=5.49mm，W1=2.18mm，g1=0.11mm，L2=10.48mm，

W2=3mm，D=0.8mm， g2=0.1mm，W3=0.1mm，W4=0.2mm；其中的介質(zhì)板介電常數εr=3.38，厚度h=0.8mm

為了實(shí)現該天線(xiàn)的小型化，我們提出在輻射貼片的附近加載寄生單元，產(chǎn)生附加的電容與電感，以期在相同的天線(xiàn)總體尺寸下降低天線(xiàn)的零階諧振工作頻率，示于圖1（a）虛線(xiàn)區域。一方面，我們加載了一定尺寸的寄生貼片，從而產(chǎn)生耦合電容。通過(guò)該方式產(chǎn)生的電容在中被稱(chēng)為虛擬地電容。另一方面，在輻射貼片和寄生貼片之間加載曲折線(xiàn)，從而進(jìn)一步產(chǎn)生曲折線(xiàn)電感。圖2給出了其等效電路模型。其中C0表示輻射貼片和饋線(xiàn)間的耦合電容；虛線(xiàn)所圍區域為該天線(xiàn)對應的傳輸線(xiàn)模型：LR和CR分別表示普通傳輸線(xiàn)所固有的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容；LLV表示接地通孔所提供的電感；LLg表示曲折線(xiàn)提供的電感；Cg表示虛擬地電容；R表示輻射電阻。

圖2所提出小型化天線(xiàn)等效電路模型

利用高頻商業(yè)仿真軟件HFSS進(jìn)行數值仿真研究，得到該天線(xiàn)的最低諧振頻點(diǎn)在1.9090GHz，如圖3所示。根據文獻[5]的研究結果，對于該類(lèi)負介電常數零階諧振天線(xiàn)的最低工作頻點(diǎn)，即為零階諧振頻率點(diǎn)?？梢?jiàn)，本文所設計的負介電常數傳輸線(xiàn)天線(xiàn)的零階頻率工作點(diǎn)在1.9090GHz，所對應的電尺寸為0.1028λ0×0.1028λ0×0.00509λ0（其中λ0表示1.9090GHz所對應的空間波長(cháng)）。由圖3，我們還可以觀(guān)測到當天線(xiàn)匹配最佳時(shí)，其增益達到最大值-7.32dBi。進(jìn)而，我們通過(guò)圖3中的仿真的數據，提取出圖2中等效電路模型的對應電路參量。其中C0=0.024pF,LR=560.68nH,R=1.637×107Ω,LLg=49.53nH,Cg=83.37pF,CR=1.42pF,

LLv=373.31nH。

圖3反射系數、峰值增益隨頻率的變化關(guān)系

（a）（b）

圖4天線(xiàn)實(shí)物圖（a）正視圖；（b）背視圖

圖5寄生貼片寬度W4對天線(xiàn)零階諧振頻點(diǎn)的影響（“S”表示仿真結果，“M”表示實(shí)測結果）