一种应用于WiFi和WiMAX的加载零谐振单元的三频单极子天线

1引言

随着现代无线通信的发展，移动设备对天线的要求越来越高，具有覆盖多频段、成本低廉的小型化天线是现今研究的主要方向。人工异向介质（Metamaterial）的实现尤其是复合左右手传输线（CRLH-TL）的提出为微波器件的小型化提供了新的方法，运用CRLH-TL特有的零谐振（ZOR）现象，可以突破传统谐振器尺寸受谐振波长的限制，实现天线的小型化。多种运用零谐振的小型化天线已经被提出，但多数天线带宽较窄，加载结构复杂，限制了应用范围。

本文提出了一种加载零谐振单元的平面单极子天线，在共面波导馈电的平面单极子的基础上通过加载电容电感实现单个零谐振单元，在原单极子的高频谐振之外引入新的较低频率谐振频率，进而实现了多频特性。所设计天线工作频带可以覆盖无线局域网（WLAN）的两种主流协议WiFi（2.40GHz-2.48GHz，5.15GHz-5.80GHz）与WiMAX（3.3GHz-3.8GHz）的通信频带。该天线结构均设计在单层板上，结构简单有效的减少了制作成本。

2天线设计

天线的主体结构示意图如图1所示。该天线主体由矩形单极子贴片和交指电容与接地细线电感组成的零谐振单元组成。天线制作在相对介电常数εr=4.4，厚度h=1.6mm的FR-4基板上，基板尺寸a×b=40mm×30mm。天线采用阻抗为50Ω的共面波导馈电，天线所有结构与地板都刻蚀在介质板同侧。

天线主体为单极子，其总长度L2对应为高谐振频率的四分之一波长，单极子左端通过加载串联的交指电容与接地细线电感构成一个零谐振单元，交织数量N与长度lc、细线电感的长度W2+L2与宽度wl控制电容与电感值确定零谐振频率，这样便可实现高低频段的独立控制。

图1天线主体结构图（单位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）

图2单极子与加载零谐振单元天线的回波损耗

在天线设计过程中，首先设计单极子工作在5.2Ghz左右，确定单极子长度L1，然后在单极子的左边加载交指电容与细线电感引入较低的谐振频率，交织的数量N与长度lc和细线总长W2+L2与宽度wl均可通过近似公式获得。最后在全波仿真软件HFSS中优化设计确定具体参数。图2中可以看出，通过加载零谐振单元在没有增加单极子长度的情况下有效的引入了新的低频频段。