一種小型化的負(fù)介電常數(shù)零階諧振天線

近年來(lái)，基于特異材料傳輸線的小型化天線，由于特異材料傳輸線所具有的獨(dú)特色散特性，使該類天線成為目前研究的熱點(diǎn)。當(dāng)該類天線在處于零階諧振工作模式時(shí)，其工作頻率與天線的物理尺寸無(wú)關(guān)。由于該諧振模式的優(yōu)越特性，使得天線的零階諧振頻率可以下降到非常低，從而達(dá)到小型化的目的。現(xiàn)階段發(fā)展的特異材料傳輸線零階諧振天線大致可以分為三類：復(fù)合左右手傳輸線零階諧振天線, 負(fù)磁導(dǎo)率零階諧振天線和負(fù)介電常數(shù)零階諧振天線。對(duì)于以上不同形式的天線的性能優(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(chǔ)存較少的電磁能量的方法，有效地提高了該類天線的增益;另一方面， 對(duì)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(shè)計(jì)小型化程度更為優(yōu)越的特異材料傳輸線零階諧振天線還未見(jiàn)相關(guān)系統(tǒng)地報(bào)道。

基于特異材料傳輸線零階諧振天線的工作頻點(diǎn)，雖然與天線的物理電尺寸無(wú)關(guān)，但是由于天線本身是由傳輸線單元構(gòu)成，致使其諧振頻率與天線的具體物理結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?？梢?jiàn)，如何設(shè)計(jì)小型化程度與增益、帶寬相互折衷的零階諧振天線，對(duì)以后在該類天線的研究具有極為重要的意義。本文通過(guò)加載曲折線和寄生貼片的方式，成功設(shè)計(jì)出一種基于傳統(tǒng)的特異材料傳輸線的新型小型化負(fù)介電常數(shù)零階諧振天線。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(nèi)調(diào)節(jié)天線的零階諧振模式頻率。該工作對(duì)于將來(lái)設(shè)計(jì)在一定的空間尺寸要求下的特異材料傳輸線天線具有一定的參考價(jià)值。

2 小型化負(fù)介電常數(shù)零階諧振天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)出了一種小型化的負(fù)介電常數(shù)零階諧振天線，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1(a)中，由于該天線的輻射阻抗相對(duì)于饋線的特性阻抗50Ω高得多, 天線采用耦合饋電的形式使天線的輻射貼片部分與饋線部分達(dá)到良好匹配。天線的輻射貼片部分是由基于負(fù)介電常數(shù)傳輸線的一個(gè)單元組成。這種基于特異材料傳輸線單元，除了兼有傳統(tǒng)右手傳輸線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(cè)視圖。具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(shù)εr=3.38，厚度h=0.8mm

為了實(shí)現(xiàn)該天線的小型化，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，以期在相同的天線總體尺寸下降低天線的零階諧振工作頻率，示于圖1(a)虛線區(qū)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，從而進(jìn)一步產(chǎn)生曲折線電感。圖2給出了其等效電路模型。其中C0表示輻射貼片和饋線間的耦合電容;虛線所圍區(qū)域?yàn)樵撎炀€對(duì)應(yīng)的傳輸線模型：LR和CR分別表示普通傳輸線所固有的串聯(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 所提出小型化天線等效電路模型

利用高頻商業(yè)仿真軟件HFSS進(jìn)行數(shù)值仿真研究，得到該天線的最低諧振頻點(diǎn)在1.9090GHz，如圖3所示。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果，對(duì)于該類負(fù)介電常數(shù)零階諧振天線的最低工作頻點(diǎn)，即為零階諧振頻率點(diǎn)?？梢?jiàn)，本文所設(shè)計(jì)的負(fù)介電常數(shù)傳輸線天線的零階頻率工作點(diǎn)在1.9090GHz，所對(duì)應(yīng)的電尺寸為0.1028λ0×0.1028λ0×0.00509λ0(其中λ0表示1.9090GHz所對(duì)應(yīng)的空間波長(zhǎng))。由圖3，我們還可以觀測(cè)到當(dāng)天線匹配最佳時(shí)，其增益達(dá)到最大值-7.32dBi。進(jìn)而，我們通過(guò)圖3中的仿真的數(shù)據(jù)，提取出圖2中等效電路模型的對(duì)應(yīng)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(shù)、峰值增益隨頻率的變化關(guān)系

(a) (b)

圖4 天線實(shí)物圖(a)正視圖;(b)背視圖

圖5 寄生貼片寬度W4對(duì)天線零階諧振頻點(diǎn)的影響(“S”表示仿真結(jié)果，“M”表示實(shí)測(cè)結(jié)果)

為了進(jìn)一步證實(shí)以上仿真、等效電路模型的有效性，我們加工了該天線的實(shí)物(如圖4所示)，并對(duì)天線的性能進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。首先， 利用AV3618網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的反射系數(shù)(S11)進(jìn)行了測(cè)試。圖5中的測(cè)試結(jié)果顯示，天線的零階諧振工作頻點(diǎn)在1.9228GHz，并且反射系數(shù)也在-10dB以下，顯示了天線在該頻點(diǎn)的良好匹配。然后，我們利用基于Agilent EB362C PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀和SATIMO測(cè)試系統(tǒng)的微波暗室進(jìn)行方向圖測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果亦示于圖6。測(cè)試結(jié)果表明：在遠(yuǎn)場(chǎng)Z-X面上，天線的方向圖基本上趨于全向性，基本與仿真結(jié)果相符。該具有全向輻射特性的小型化、低剖面天線極其有利于運(yùn)用在一些短距離控制系統(tǒng)或者家庭安全系統(tǒng)中。值得一提的是，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果發(fā)生了0.73%的頻點(diǎn)飄移和0.31dB的增益降低，其原因主要是由于加工誤差和實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境所致。

(a) (b)

圖6 天線仿真和測(cè)試的增益方向圖(分別對(duì)應(yīng)各自中心工作頻點(diǎn)1.9090GHz和1.9228GHz);(a)在Z-Y面，(b)在Z-X面

表1 寄生貼片寬度天線性能的影響

最后，我們?cè)诩纳N片的寬度(W4)對(duì)天線性能影響的方面進(jìn)行了仿真研究和對(duì)比，其結(jié)果總結(jié)在表1中。當(dāng)W4增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的虛擬地電容也相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致天線的零階諧振頻率降低，同時(shí)也導(dǎo)致天線的匹配逐漸惡化(該結(jié)果也示于圖5)。這樣的話，我們要實(shí)現(xiàn)天線其它頻點(diǎn)的工作，還需要調(diào)節(jié)天線的匹配。從總體上來(lái)看，整個(gè)天線對(duì)應(yīng)的總體電尺寸也相應(yīng)地減小，同時(shí)也導(dǎo)致天線的Q值增大，對(duì)應(yīng)的峰值增益逐漸降低?？梢?jiàn)，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)寄生貼片的寬度，來(lái)實(shí)現(xiàn)該天線在0.9807GHz-1.9090GHz整個(gè)頻段范圍的某個(gè)零階諧振工作頻點(diǎn)的工作。

3 總結(jié)

本文介紹了一種通過(guò)加載寄生貼片，使得基于特異材料傳輸線天線小型化的方法。并通過(guò)較為數(shù)字仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了該方法的有效性。最終設(shè)計(jì)出了電尺寸僅為0.0528λ0×0.0528λ0× 0.00262λ0，增益為-11.58dBi的負(fù)介電常數(shù)零階諧振天線。該工作為以后工程上設(shè)計(jì)不同尺寸要求、性能指標(biāo)要求的基于特異材料傳輸線的小型化天線提供了一定的參考。