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)代無線通信的發(fā)展，移動設(shè)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(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)上通過加載電容電感實(shí)現(xiàn)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(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，其總長度L2對應(yīng)為高諧振頻率的四分之一波長，單極子左端通過加載串聯(lián)的交指電容與接地細(xì)線電感構(gòu)成一個零諧振單元，交織數(shù)量N與長度lc、細(xì)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(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)過程中，首先設(shè)計(jì)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(xì)線電感引入較低的諧振頻率，交織的數(shù)量N與長度lc和細(xì)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(yōu)化設(shè)計(jì)確定具體參數(shù)。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。