1. 引言

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)高性能天線的需求出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。其中，小型化單極子天線，因?yàn)榱己玫妮椛湫屎秃?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，得到了廣泛的關(guān)注。不過(guò)，傳統(tǒng)單極子天線通常具有四分之一波長(zhǎng)的高度。這意味著工作在低頻段的單極子天線尺寸過(guò)大，給系統(tǒng)集成帶來(lái)了挑戰(zhàn)（比如安裝在高速移動(dòng)的物體上或是海面浮標(biāo)上的低頻段天線很難同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和天線的效率）。因此，實(shí)現(xiàn)單極子天線的小型化，具有重要的科學(xué)和工程價(jià)值。

過(guò)去的幾十年內(nèi)，研究人員嘗試了多種方法來(lái)減小單極子天線的尺寸。一種常見(jiàn)的方法是給天線加阻抗或者負(fù)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(diǎn)左移。Bahr等人就提出了一種分段加載 LC 并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的單極子天線，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶單極子天線的小型化。另一種常見(jiàn)方法是采用微帶金屬層或者金屬平板構(gòu)造單極子，通過(guò)設(shè)計(jì)金屬圖案，實(shí)現(xiàn)小型化。孫梅[5]等人設(shè)計(jì)了一款這樣的微帶單極子天線，實(shí)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(guò)引入一圈短路金屬過(guò)孔，該設(shè)計(jì)拉近了兩個(gè)臨近諧振模式的頻率，實(shí)現(xiàn)了寬帶特性。得益于微帶結(jié)構(gòu)，該天線的厚度僅為 0.024λ0。不過(guò)，因?yàn)橹C振模式的需要，微帶貼片的半徑為 0.68λ0，相對(duì)較大。

針對(duì)這一的問(wèn)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(guò)引入褶皺結(jié)構(gòu)，我們的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了橫向尺寸的小型化。相比于劉的設(shè)計(jì)，直徑縮小了 50%。

2. 天線結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，圖 1（a）與圖 1（b）分別給出了天線的正等軸測(cè)圖與側(cè)視剖面圖。該天線主要包括五個(gè)組成部分：上金屬板，下金屬板，中間的介質(zhì)隔層，一圈短路金屬圓柱，和一個(gè)同軸饋電結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)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(pán)配合，Rf =8.5 mm 以內(nèi)的圓盤(pán)部分未添加褶皺）。兩個(gè)金屬板中間用厚度 h = 12 mm、相對(duì)介電常數(shù)為 2.33 的 Teflon 填充。三個(gè)結(jié)構(gòu)均可采用 3-D 打印或者 CNC 的方式加工實(shí)現(xiàn)。在距離天線轉(zhuǎn)軸 a = 31.8 mm 處（根據(jù)參考論文[6]中的方法計(jì)算得到初值、再用 CST 仿真微調(diào)得到最優(yōu)值）均勻分布著 20 個(gè)半徑 r = 0.4 mm 細(xì)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(pán)密切貼合。天線參數(shù)的具體尺寸總結(jié)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(cè)圖； (b) 天線側(cè)視剖面圖

表 1 天線參數(shù)表

3. 仿真結(jié)果與分析

我們采用三維全波電磁仿真軟件 CST 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化。圖 2 給出了本設(shè)計(jì)與參考設(shè)計(jì) [6] 的反射系數(shù)對(duì)比。可以看到，兩天線的 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(shè)計(jì)只需要~50%的橫向尺寸。

圖 2 參考設(shè)計(jì)與本文設(shè)計(jì)的反射系數(shù)對(duì)比圖

褶皺是本設(shè)計(jì)最顯著的特點(diǎn)，接下來(lái)重點(diǎn)討論褶皺對(duì)匹配的影響。圖 3 展示了褶皺深度對(duì)天線諧振點(diǎn)的影響（褶皺深度定義為構(gòu)成曲面的正弦曲線幅值即 mp）。從圖中可以看出， mp = 0 時(shí)（無(wú)褶皺），天線的諧振點(diǎn)頻率在 2.9 GHz；隨著 mp增加，天線的諧振點(diǎn)頻率逐漸變小；mp = 5 mm 時(shí)，天線的諧振點(diǎn)頻率變?yōu)?2.19 GHz。可見(jiàn)，褶皺越深，小型化效果越好。不過(guò)為了確保天線保持相對(duì)低的剖面，我們選取 mp = 4 mm。

圖 3 褶皺深度對(duì)|S11|的影響

圖 4 展示了構(gòu)成曲面的正弦曲線角頻率 T 對(duì)天線諧振點(diǎn)的影響。結(jié)果表明，隨著 T增大，天線的諧振點(diǎn)頻率也會(huì)減小。不過(guò)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(duì)|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。可以看出，本設(shè)計(jì)具有良好的全向輻射性質(zhì)，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(nèi)的交叉極化分量小于?40 dBi，甚至無(wú)法在圖 5(a)中顯示。yoz 平面內(nèi)的交叉極化水平也很低，在 ?30 dB 以下。

4. 結(jié)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(guò)引入褶皺結(jié)構(gòu)，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(nèi)仿真增益大于 0 dBi。

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