一种小型化的负介电常数零阶谐振天线

近年来，基于特异材料传输线的小型化天线，由于特异材料传输线所具有的独特色散特性，使该类天线成为目前研究的热点。当该类天线在处于零阶谐振工作模式时，其工作频率与天线的物理尺寸无关。由于该谐振模式的优越特性，使得天线的零阶谐振频率可以下降到非常低，从而达到小型化的目的。现阶段发展的特异材料传输线零阶谐振天线大致可以分为三类：复合左右手传输线零阶谐振天线, 负磁导率零阶谐振天线和负介电常数零阶谐振天线。对于以上不同形式的天线的性能优越性要求主要涉及到以下三方面，也即：辐射增益、工作带宽和小型化程度。鉴于此，介绍了在地面上腐蚀等边形的槽，以利于谐振器在零阶谐振模式储存较少的电磁能量的方法，有效地提高了该类天线的增益;另一方面， 对于如何展宽它们的工作带宽，也提出了卓有成效的方法。但是，如何设计小型化程度更为优越的特异材料传输线零阶谐振天线还未见相关系统地报道。

基于特异材料传输线零阶谐振天线的工作频点，虽然与天线的物理电尺寸无关，但是由于天线本身是由传输线单元构成，致使其谐振频率与天线的具体物理结构密切相关。可见，如何设计小型化程度与增益、带宽相互折衷的零阶谐振天线，对以后在该类天线的研究具有极为重要的意义。本文通过加载曲折线和寄生贴片的方式，成功设计出一种基于传统的特异材料传输线的新型小型化负介电常数零阶谐振天线。研究表明通过改变寄生贴片的尺寸，可以在较大的范围内调节天线的零阶谐振模式频率。该工作对于将来设计在一定的空间尺寸要求下的特异材料传输线天线具有一定的参考价值。

2 小型化负介电常数零阶谐振天线设计

本文设计出了一种小型化的负介电常数零阶谐振天线，其拓扑结构如图1所示。在图1(a)中，由于该天线的辐射阻抗相对于馈线的特性阻抗50Ω高得多, 天线采用耦合馈电的形式使天线的辐射贴片部分与馈线部分达到良好匹配。天线的辐射贴片部分是由基于负介电常数传输线的一个单元组成。这种基于特异材料传输线单元，除了兼有传统右手传输线寄生的分布参量串联电感和并联电容部分，还具有由于贴片与地连接的接地通孔而产生的并联电感部分。

(a)

(b)

图1 (a)正视图;(b)侧视图。具体的结构参数

为：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;其中的介质板介电常数εr=3.38，厚度h=0.8mm

为了实现该天线的小型化，我们提出在辐射贴片的附近加载寄生单元，产生附加的电容与电感，以期在相同的天线总体尺寸下降低天线的零阶谐振工作频率，示于图1(a)虚线区域。一方面，我们加载了一定尺寸的寄生贴片，从而产生耦合电容。通过该方式产生的电容在中被称为虚拟地电容。另一方面，在辐射贴片和寄生贴片之间加载曲折线，从而进一步产生曲折线电感。图2给出了其等效电路模型。其中C0表示辐射贴片和馈线间的耦合电容;虚线所围区域为该天线对应的传输线模型：LR和CR分别表示普通传输线所固有的串联电感和并联电容;LLV表示接地通孔所提供的电感;LLg表示曲折线提供的电感;Cg表示虚拟地电容;R表示辐射电阻。

图2 所提出小型化天线等效电路模型

利用高频商业仿真软件HFSS进行数值仿真研究，得到该天线的最低谐振频点在1.9090GHz，如图3所示。根据文献[5]的研究结果，对于该类负介电常数零阶谐振天线的最低工作频点，即为零阶谐振频率点。可见，本文所设计的负介电常数传输线天线的零阶频率工作点在1.9090GHz，所对应的电尺寸为0.1028λ0×0.1028λ0×0.00509λ0(其中λ0表示1.9090GHz所对应的空间波长)。由图3，我们还可以观测到当天线匹配最佳时，其增益达到最大值-7.32dBi。进而，我们通过图3中的仿真的数据，提取出图2中等效电路模型的对应电路参量。其中C0=0.024pF, LR=560.68nH, R=1.637 ×107Ω, LLg=49.53nH, Cg=83.37pF, CR=1.42pF,

LLv=373.31nH。

图3 反射系数、峰值增益随频率的变化关系

(a) (b)

图4 天线实物图(a)正视图;(b)背视图

图5 寄生贴片宽度W4对天线零阶谐振频点的影响(“S”表示仿真结果，“M”表示实测结果)

为了进一步证实以上仿真、等效电路模型的有效性，我们加工了该天线的实物(如图4所示)，并对天线的性能进行了相关测试。首先， 利用AV3618网络分析仪对天线的反射系数(S11)进行了测试。图5中的测试结果显示，天线的零阶谐振工作频点在1.9228GHz，并且反射系数也在-10dB以下，显示了天线在该频点的良好匹配。然后，我们利用基于Agilent EB362C PNA网络分析仪和SATIMO测试系统的微波暗室进行方向图测试，其测试结果亦示于图6。测试结果表明：在远场Z-X面上，天线的方向图基本上趋于全向性，基本与仿真结果相符。该具有全向辐射特性的小型化、低剖面天线极其有利于运用在一些短距离控制系统或者家庭安全系统中。值得一提的是，测试结果与仿真结果发生了0.73%的频点飘移和0.31dB的增益降低，其原因主要是由于加工误差和实验测试环境所致。

(a) (b)

图6 天线仿真和测试的增益方向图(分别对应各自中心工作频点1.9090GHz和1.9228GHz);(a)在Z-Y面，(b)在Z-X面

表1 寄生贴片宽度天线性能的影响

寄生贴片宽度W4

(mm)

零阶谐振频率(GHz)

对应电

尺寸 (λ0×λ0×λ0)

峰值

增益

(dBi)

2

1.9090 (S)

1.9228(M)

0.1028×0.1028×0.00509(S)

0.1036×0.1036×0.00513(M)

-7.32 (S)

-7.63(M)

4

1.5324

0.0825×0.0825×0.00409

-9.4358

6

1.2989

0.0699×0.0699×0.00346

-10.90

12.06

0.9807

0.0528×0.0528×0.00262

-11.58

最后，我们在寄生贴片的宽度(W4)对天线性能影响的方面进行了仿真研究和对比，其结果总结在表1中。当W4增加时，对应的虚拟地电容也相应增加，从而导致天线的零阶谐振频率降低，同时也导致天线的匹配逐渐恶化(该结果也示于图5)。这样的话，我们要实现天线其它频点的工作，还需要调节天线的匹配。从总体上来看，整个天线对应的总体电尺寸也相应地减小，同时也导致天线的Q值增大，对应的峰值增益逐渐降低。可见，我们可以通过调节寄生贴片的宽度，来实现该天线在0.9807GHz-1.9090GHz整个频段范围的某个零阶谐振工作频点的工作。

3 总结

本文介绍了一种通过加载寄生贴片，使得基于特异材料传输线天线小型化的方法。并通过较为数字仿真和实验验证，证实了该方法的有效性。最终设计出了电尺寸仅为0.0528λ0×0.0528λ0× 0.00262λ0，增益为-11.58dBi的负介电常数零阶谐振天线。该工作为以后工程上设计不同尺寸要求、性能指标要求的基于特异材料传输线的小型化天线提供了一定的参考。