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(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(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，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?？梢?，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(tǒng)的特異材料傳輸線的新型小型化負介電常數(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)調節(jié)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(shù)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(shù)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(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。

(a)

(b)

圖1 (a)正視圖;(b)側視圖。具體的結構參數(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進行數(shù)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(jù)文獻[5]的研究結果，對于該類負介電常數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)，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(shù)、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)

為了進一步證實以上仿真、等效電路模型的有效性，我們加工了該天線的實物(如圖4所示)，并對天線的性能進行了相關測試。首先， 利用AV3618網(wǎng)絡分析儀對天線的反射系數(shù)(S11)進行了測試。圖5中的測試結果顯示，天線的零階諧振工作頻點在1.9228GHz，并且反射系數(shù)也在-10dB以下，顯示了天線在該頻點的良好匹配。然后，我們利用基于Agilent EB362C PNA網(wǎng)絡分析儀和SATIMO測試系統(tǒng)的微波暗室進行方向圖測試，其測試結果亦示于圖6。測試結果表明：在遠場Z-X面上，天線的方向圖基本上趨于全向性，基本與仿真結果相符。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，測試結果與仿真結果發(fā)生了0.73%的頻點飄移和0.31dB的增益降低，其原因主要是由于加工誤差和實驗測試環(huán)境所致。

(a) (b)

圖6 天線仿真和測試的增益方向圖(分別對應各自中心工作頻點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，我們在寄生貼片的寬度(W4)對天線性能影響的方面進行了仿真研究和對比，其結果總結在表1中。當W4增加時，對應的虛擬地電容也相應增加，從而導致天線的零階諧振頻率降低，同時也導致天線的匹配逐漸惡化(該結果也示于圖5)。這樣的話，我們要實現(xiàn)天線其它頻點的工作，還需要調節(jié)天線的匹配。從總體上來看，整個天線對應的總體電尺寸也相應地減小，同時也導致天線的Q值增大，對應的峰值增益逐漸降低?？梢?，我們可以通過調節(jié)寄生貼片的寬度，來實現(xiàn)該天線在0.9807GHz-1.9090GHz整個頻段范圍的某個零階諧振工作頻點的工作。

3 總結

本文介紹了一種通過加載寄生貼片，使得基于特異材料傳輸線天線小型化的方法。并通過較為數(shù)字仿真和實驗驗證，證實了該方法的有效性。最終設計出了電尺寸僅為0.0528λ0×0.0528λ0× 0.00262λ0，增益為-11.58dBi的負介電常數(shù)零階諧振天線。該工作為以后工程上設計不同尺寸要求、性能指標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。