一種小型化的負(fù)介電常數(shù)零階諧振天線設(shè)計

　　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(dāng)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(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(shè)計小型化程度更為優(yōu)越的特異材料傳輸線零階諧振天線還未見相關(guān)系統(tǒng)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(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)。可見，如何設(shè)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(shè)計出一種基于傳統(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。該工作對于將來設(shè)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(fù)介電常數(shù)零階諧振天線設(shè)計

　　本文設(shè)計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。

　　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)域為該天線對應(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。