1. 引言

近年來，隨著無線通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對高性能天線的需求出現(xiàn)了快速增長。其中，小型化單極子天線，因為良好的輻射效率和簡單的結構，得到了廣泛的關注。不過，傳統(tǒng)單極子天線通常具有四分之一波長的高度。這意味著工作在低頻段的單極子天線尺寸過大，給系統(tǒng)集成帶來了挑戰(zhàn)（比如安裝在高速移動的物體上或是海面浮標上的低頻段天線很難同時兼顧結構的穩(wěn)定性和天線的效率）。因此，實現(xiàn)單極子天線的小型化，具有重要的科學和工程價值。

過去的幾十年內，研究人員嘗試了多種方法來減小單極子天線的尺寸。一種常見的方法是給天線加阻抗或者負載電阻以改變單極子上的電流分布，從而使得天線的諧振點左移。Bahr等人就提出了一種分段加載 LC 并聯(lián)網(wǎng)絡的單極子天線，實現(xiàn)了寬頻帶單極子天線的小型化。另一種常見方法是采用微帶金屬層或者金屬平板構造單極子，通過設計金屬圖案，實現(xiàn)小型化。孫梅[5]等人設計了一款這樣的微帶單極子天線，實現(xiàn)了 40%的尺寸縮減。在前兩種方案之外，劉菊華等人還提出了一種新型的寬帶單極子圓形貼片。通過引入一圈短路金屬過孔，該設計拉近了兩個臨近諧振模式的頻率，實現(xiàn)了寬帶特性。得益于微帶結構，該天線的厚度僅為 0.024λ0。不過，因為諧振模式的需要，微帶貼片的半徑為 0.68λ0，相對較大。

針對這一的問題，本文提出一種新型的褶皺加載平行板全向輻射天線。通過引入褶皺結構，我們的設計實現(xiàn)了橫向尺寸的小型化。相比于劉的設計，直徑縮小了 50%。

2. 天線結構的分析與設計

天線結構如圖 1 所示，圖 1（a）與圖 1（b）分別給出了天線的正等軸測圖與側視剖面圖。該天線主要包括五個組成部分：上金屬板，下金屬板，中間的介質隔層，一圈短路金屬圓柱，和一個同軸饋電結構。褶皺金屬板的表面是由方程 z = mpsin(Tx) 確定的正弦曲線繞天線的 z 軸旋轉形成的（mp = 4 mm，T = 250 rad/s）。上下金屬板的厚度和半徑相同，分別為：hp = 0.5 mm，半徑 R = 45 mm（為了便于和饋電 SMA 的法蘭盤配合，Rf =8.5 mm 以內的圓盤部分未添加褶皺）。兩個金屬板中間用厚度 h = 12 mm、相對介電常數(shù)為 2.33 的 Teflon 填充。三個結構均可采用 3-D 打印或者 CNC 的方式加工實現(xiàn)。在距離天線轉軸 a = 31.8 mm 處（根據(jù)參考論文[6]中的方法計算得到初值、再用 CST 仿真微調得到最優(yōu)值）均勻分布著 20 個半徑 r = 0.4 mm 細金屬柱[9]，用于拓展帶寬。上層金屬板和SMA 的饋電探針連接，下金屬板和 SMA 法蘭盤密切貼合。天線參數(shù)的具體尺寸總結在表1 中。

圖 1 加載褶皺的平行雙金屬板天線. (a) 天線正等軸測圖； (b) 天線側視剖面圖

表 1 天線參數(shù)表

3. 仿真結果與分析

我們采用三維全波電磁仿真軟件 CST 對設計進行了驗證和優(yōu)化。圖 2 給出了本設計與參考設計 [6] 的反射系數(shù)對比?？梢钥吹剑瑑商炀€的 10-dB 阻抗帶寬分別為 16.3%(2.31–2.70 GHz)和 17.1% (2.24–2.66 GHz) 。雖然阻抗帶寬相近，本設計只需要~50%的橫向尺寸。

圖 2 參考設計與本文設計的反射系數(shù)對比圖

褶皺是本設計最顯著的特點，接下來重點討論褶皺對匹配的影響。圖 3 展示了褶皺深度對天線諧振點的影響（褶皺深度定義為構成曲面的正弦曲線幅值即 mp）。從圖中可以看出， mp = 0 時（無褶皺），天線的諧振點頻率在 2.9 GHz；隨著 mp增加，天線的諧振點頻率逐漸變?。籱p = 5 mm 時，天線的諧振點頻率變?yōu)?2.19 GHz?？梢?，褶皺越深，小型化效果越好。不過為了確保天線保持相對低的剖面，我們選取 mp = 4 mm。

圖 3 褶皺深度對|S11|的影響

圖 4 展示了構成曲面的正弦曲線角頻率 T 對天線諧振點的影響。結果表明，隨著 T增大，天線的諧振點頻率也會減小。不過考慮到阻抗匹配深度和加工因素，我們選擇 T =250 rad/s。

圖 4 褶皺角頻率對|S11|的影響

圖 5 仿真的天線方向圖. (a) 天線的 xoy 平面方向圖； (b) 天線的 yoz 平面方向圖

圖 5 為天線的輻射方向圖?？梢钥闯?，本設計具有良好的全向輻射性質，在絕大部分方向上，增益都大于 0 dB（最高 1.4 dB）。此外，該天線的交叉極化很低。xoy 平面內的交叉極化分量小于?40 dBi，甚至無法在圖 5(a)中顯示。yoz 平面內的交叉極化水平也很低，在 ?30 dB 以下。

4. 結論

本文提出了一種加載褶皺與金屬柱的平行雙金屬板全向輻射天線。通過引入褶皺結構，有效減小了天線的橫向尺寸。該天線具有良好的單極子輻射特性，在大部分空間范圍內仿真增益大于 0 dBi。

資料來源：達索官方