一種小型化的負介電常數零階諧振天線

1引言

近年來，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特色散特性，使該類天線成為目前研究的熱點。當該類天線在處于零階諧振工作模式時，其工作頻率與天線的物理尺寸無關。由于該諧振模式的優越特性，使得天線的零階諧振頻率可以下降到非常低，從而達到小型化的目的。現階段發展的特異材料傳輸線零階諧振天線大致可以分為三類：復合左右手傳輸線零階諧振天線,負磁導率零階諧振天線和負介電常數零階諧振天線。對于以上不同形式的天線的性能優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，有效地提高了該類天線的增益；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越的特異材料傳輸線零階諧振天線還未見相關系統地報道。

基于特異材料傳輸線零階諧振天線的工作頻點，雖然與天線的物理電尺寸無關，但是由于天線本身是由傳輸線單元構成，致使其諧振頻率與天線的具體物理結構密切相關。可見，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，對以后在該類天線的研究具有極為重要的意義。本文通過加載曲折線和寄生貼片的方式，成功設計出一種基于傳統的特異材料傳輸線的新型小型化負介電常數零階諧振天線。研究表明通過改變寄生貼片的尺寸，可以在較大的范圍內調節天線的零階諧振模式頻率。該工作對于將來設計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值。

2小型化負介電常數零階諧振天線設計

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

（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；其中的介質板介電常數εr=3.38，厚度h=0.8mm

為了實現該天線的小型化，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）虛線區域。一方面，我們加載了一定尺寸的寄生貼片，從而產生耦合電容。通過該方式產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，從而進一步產生曲折線電感。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；虛線所圍區域為該天線對應的傳輸線模型：LR和CR分別表示普通傳輸線所固有的串聯電感和并聯電容；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

利用高頻商業仿真軟件HFSS進行數值仿真研究，得到該天線的最低諧振頻點在1.9090GHz，如圖3所示。根據文獻[5]的研究結果，對于該類負介電常數零階諧振天線的最低工作頻點，即為零階諧振頻率點。可見，本文所設計的負介電常數傳輸線天線的零階頻率工作點在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）。由圖3，我們還可以觀測到當天線匹配最佳時，其增益達到最大值-7.32dBi。進而，我們通過圖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系

（a）（b）

圖4天線實物圖（a）正視圖；（b）背視圖

圖5寄生貼片寬度W4對天線零階諧振頻點的影響（“S”表示仿真結果，“M”表示實測結果）