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    零磁導率諧振器加載寬帶印刷單極子天線設計
    2020年電子技術應用第8期
    李曉峰,彭 麟
    桂林電子科技大學 信息與通信學院,廣西 桂林 541004
    摘要: 在印刷單極子天線上刻制零磁導率諧振器(MZR),使MZR的諧振頻率低于并融合于天線的諧振頻率,不但可有效減小天線整體尺寸,還可增加天線帶寬。設計并制作了原型天線,測試結果表明,加載MZR后的印刷單極子天線的阻抗帶寬可以顯著向低頻段擴展。由于天線具有電小結構,保證了輻射的全向特性和波束指向穩定性。同時基于微帶線模型對MZR加載天線機理進行了討論分析。
    中圖分類號: TN823
    文獻標識碼: A
    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200135
    中文引用格式: 李曉峰,彭麟. 零磁導率諧振器加載寬帶印刷單極子天線設計[J].電子技術應用,2020,46(8):13-16,20.
    英文引用格式: Li Xiaofeng,Peng Lin. Design of MRZ-loaded wideband printed monopole antenna[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(8):13-16,20.
    Design of MRZ-loaded wideband printed monopole antenna
    Li Xiaofeng,Peng Lin
    School of Information and Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China
    Abstract: A mu-zero resonance(MZR) resonator is etched in the patch of a printed monopole antenna. The MZR resonator generates a new resonance. As the MZR resonance is lower than the monopole and the resonances merge with each other, size reduction and bandwidth enhancement were obtained. A prototype was designed and fabricated. The test results show that the impedance bandwidth of the MRZ-Loaded monopole is extend to lower frequency remarkably. Because of the small electric structure of the antenna, the omnidirectional radiation and the beam pointing stability is well guaranteed. A microstrip line based model was built to analyze the MZR resonator antenna.
    Key words : mu-zero resonance resonators;loaded monopole;miniaturization;wide band

    0 引言

        單極子天線由于結構簡潔和全向輻射特性而獲得廣泛應用,平面印制單極子天線可在電路板上直接蝕刻完成,同時不需要進行平衡到不平衡的轉換,其制作方便并且可與電路集成,是常用的天線類型。印制單極子天線通過結構的改進能獲得非常大的阻抗帶寬,常見的方案是通過改變單極子的形狀結構或者接地板的形狀結構來實現寬頻帶的阻抗匹配[1-5]。例如文獻[1]中提出一種印刷三角形單極子天線;文獻[3]設計了一種印刷橢圓形單極子天線,通過在微帶線的屏蔽導體上開一個凹槽來調整天線的阻抗帶寬;文獻[4]分析了圓形單極子天線的特性;文獻[5]通過在接地面上端引入漸變梯形結構調整饋入端接地面間隙,實現印制矩形單極子天線的超寬帶特性。

        常見的印制單極子的形狀包括圓形、橢圓形、三角形、半圓形、多邊形等結構。對比分析這些不同形狀的印制單極子天線,不難發現,它們具有相似的阻抗特性。它們的阻抗帶寬對其形狀變化并不敏感,這是因為印刷單極子天線的阻抗帶寬性能及工作原理是一致的,其寬帶特性可被視為理想單錐天線的非頻變特性。此類超寬帶單極子天線難以實現小型化設計,其輻射振子的最小尺寸受限于其最低設計頻率,而且在高頻端由于振子的電尺寸變大,其方向圖出現副瓣,進而波束指向改變,失去全向輻射特性。

        利用容性加載能夠有效地提高電小天線的輻射效率,通過加載改變振子上的電流分布,實現低頻的匹配是實現天線小型化的有效方法。但是對于印制結構天線,為了實現較大的電容加載,往往使得振子結構變化較大而破壞了其全向輻射特性[6-8]。

        超材料諧振器結構緊湊,利用貼片與接地板結構可以方便形成等效超材料模型,因此它在微帶天線設計中具有很大的吸引力[9-10]。然而,超材料諧振器天線存在著頻帶窄、增益小等缺點[9-13]。為了克服這些缺點,天線設計中一般采用加載電磁帶隙、短路枝節,甚至多層結構或者厚介質板等方法,通過激發多諧振多模式增加帶寬。但是,這種設計不僅增加制造的復雜性,其引入的非對稱結構也會導致天線輻射方向圖傾斜或變形[13-15]。

        本文采用新型零磁導率諧振器(MZR)對印刷天線進行加載,增加天線帶寬,減小天線尺寸。諧振器尺寸很小,可直接刻蝕于單極子上,保持了天線的緊湊特性。




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    作者信息:

    李曉峰,彭  麟

    (桂林電子科技大學 信息與通信學院,廣西 桂林 541004)

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