1. 引言

近年来，随着无线通信产业的蓬勃发展，对高性能天线的需求出现了快速增长。其中，小型化单极子天线，因为良好的辐射效率和简单的结构，得到了广泛的关注。不过，传统单极子天线通常具有四分之一波长的高度。这意味着工作在低频段的单极子天线尺寸过大，给系统集成带来了挑战（比如安装在高速移动的物体上或是海面浮标上的低频段天线很难同时兼顾结构的稳定性和天线的效率）。因此，实现单极子天线的小型化，具有重要的科学和工程价值。

过去的几十年内，研究人员尝试了多种方法来减小单极子天线的尺寸。一种常见的方法是给天线加阻抗或者负载电阻以改变单极子上的电流分布，从而使得天线的谐振点左移。Bahr等人就提出了一种分段加载 LC 并联网络的单极子天线，实现了宽频带单极子天线的小型化。另一种常见方法是采用微带金属层或者金属平板构造单极子，通过设计金属图案，实现小型化。孙梅[5]等人设计了一款这样的微带单极子天线，实现了 40%的尺寸缩减。在前两种方案之外，刘菊华等人还提出了一种新型的宽带单极子圆形贴片。通过引入一圈短路金属过孔，该设计拉近了两个临近谐振模式的频率，实现了宽带特性。得益于微带结构，该天线的厚度仅为 0.024λ0。不过，因为谐振模式的需要，微带贴片的半径为 0.68λ0，相对较大。

针对这一的问题，本文提出一种新型的褶皱加载平行板全向辐射天线。通过引入褶皱结构，我们的设计实现了横向尺寸的小型化。相比于刘的设计，直径缩小了 50%。

2. 天线结构的分析与设计

天线结构如图 1 所示，图 1（a）与图 1（b）分别给出了天线的正等轴测图与侧视剖面图。该天线主要包括五个组成部分：上金属板，下金属板，中间的介质隔层，一圈短路金属圆柱，和一个同轴馈电结构。褶皱金属板的表面是由方程 z = mpsin(Tx) 确定的正弦曲线绕天线的 z 轴旋转形成的（mp = 4 mm，T = 250 rad/s）。上下金属板的厚度和半径相同，分别为：hp = 0.5 mm，半径 R = 45 mm（为了便于和馈电 SMA 的法兰盘配合，Rf =8.5 mm 以内的圆盘部分未添加褶皱）。两个金属板中间用厚度 h = 12 mm、相对介电常数为 2.33 的 Teflon 填充。三个结构均可采用 3-D 打印或者 CNC 的方式加工实现。在距离天线转轴 a = 31.8 mm 处（根据参考论文[6]中的方法计算得到初值、再用 CST 仿真微调得到最优值）均匀分布着 20 个半径 r = 0.4 mm 细金属柱[9]，用于拓展带宽。上层金属板和SMA 的馈电探针连接，下金属板和 SMA 法兰盘密切贴合。天线参数的具体尺寸总结在表1 中。

图 1 加载褶皱的平行双金属板天线. (a) 天线正等轴测图； (b) 天线侧视剖面图

表 1 天线参数表

3. 仿真结果与分析

我们采用三维全波电磁仿真软件 CST 对设计进行了验证和优化。图 2 给出了本设计与参考设计 [6] 的反射系数对比。可以看到，两天线的 10-dB 阻抗带宽分别为 16.3%(2.31–2.70 GHz)和 17.1% (2.24–2.66 GHz) 。虽然阻抗带宽相近，本设计只需要~50%的横向尺寸。

图 2 参考设计与本文设计的反射系数对比图

褶皱是本设计最显著的特点，接下来重点讨论褶皱对匹配的影响。图 3 展示了褶皱深度对天线谐振点的影响（褶皱深度定义为构成曲面的正弦曲线幅值即 mp）。从图中可以看出， mp = 0 时（无褶皱），天线的谐振点频率在 2.9 GHz；随着 mp增加，天线的谐振点频率逐渐变?。籱p = 5 mm 时，天线的谐振点频率变为 2.19 GHz。可见，褶皱越深，小型化效果越好。不过为了确保天线保持相对低的剖面，我们选取 mp = 4 mm。

图 3 褶皱深度对|S11|的影响

图 4 展示了构成曲面的正弦曲线角频率 T 对天线谐振点的影响。结果表明，随着 T增大，天线的谐振点频率也会减小。不过考虑到阻抗匹配深度和加工因素，我们选择 T =250 rad/s。

图 4 褶皱角频率对|S11|的影响

图 5 仿真的天线方向图. (a) 天线的 xoy 平面方向图； (b) 天线的 yoz 平面方向图

图 5 为天线的辐射方向图。可以看出，本设计具有良好的全向辐射性质，在绝大部分方向上，增益都大于 0 dB（最高 1.4 dB）。此外，该天线的交叉极化很低。xoy 平面内的交叉极化分量小于?40 dBi，甚至无法在图 5(a)中显示。yoz 平面内的交叉极化水平也很低，在 ?30 dB 以下。

4. 结论

本文提出了一种加载褶皱与金属柱的平行双金属板全向辐射天线。通过引入褶皱结构，有效减小了天线的横向尺寸。该天线具有良好的单极子辐射特性，在大部分空间范围内仿真增益大于 0 dBi。

资料来源：达索官方