小型化超寬帶盤錐天線設(shè)計(jì)

邱真鈺，陳星

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610064）

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)全面進(jìn)入信息化時(shí)代，通信系統(tǒng)需要傳輸?shù)男畔⒘吭絹?lái)越大，對(duì)無(wú)線通訊設(shè)備也有了更高的要求。超寬帶（ultra wide band，UWB）通信有著高速率傳輸、高頻譜利用率、高保密性、強(qiáng)定位能力、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低［1］、多徑分辨能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)［2］，成為現(xiàn)代通信的發(fā)展趨勢(shì)。

現(xiàn)有研究中的寬帶和超寬帶天線的類型很多，例如TEM 喇叭天線［3］、螺旋天線［4］、Vivaldi天線［5］、雙錐天線［6］和盤錐天線［7］等，但僅有非常有限類型的天線能夠?qū)崿F(xiàn)10倍頻以上的帶寬，盤錐天線是其中之一。

盤錐天線主要由饋電端口、錐體和圓盤三部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有超寬帶特性，由于其結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱，還具有良好的水平全向輻射特性。盤錐天線由雙錐天線變形而來(lái)，可以看成上錐體半張角為θ=90°，錐體半張角為α的雙錐天線，保持了雙錐天線的良好的寬頻帶和水平全向輻射特性，且尺寸減小一半，也避免了雙錐天線不穩(wěn)定的缺點(diǎn)［8］。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的盤錐天線電尺寸大約為四分之一波長(zhǎng)，尺寸仍然較大。天線的Q（品質(zhì)因子）值［9］是與天線的尺寸呈反比關(guān)系；天線的尺寸越小，其Q值越大，則其帶寬越有限。所以緊湊結(jié)構(gòu)和超寬帶性能這兩個(gè)指標(biāo)通常是矛盾的。因此，設(shè)計(jì)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)超寬帶、緊湊和簡(jiǎn)潔結(jié)構(gòu)特性的盤錐天線具有一定的挑戰(zhàn)性。

本文通過(guò)頂部加載，提出了一種新型小型化超寬帶全向盤錐天線。短波頻段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)長(zhǎng)度較大，所以需要減小天線的物理尺寸。在錐體頂部加載，選取表面電流較強(qiáng)的邊緣加載圓環(huán)結(jié)構(gòu)，使其呈現(xiàn)出漸變結(jié)構(gòu)特性，天線在保持良好寬頻帶特性的同時(shí)具有更低的剖面，從而實(shí)現(xiàn)天線的小型化。采用鏤空的線柵結(jié)構(gòu)代替圓錐表面［10］，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)，保持原有的超寬帶特性和全向輻射特性。

1 天線設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)的盤錐天線如圖1 所示，參數(shù)如表1 所示。天線主要是由下方的盤錐部分和頂部的圓環(huán)加載組成。

圖1 天線結(jié)構(gòu)和尺寸

表1 天線的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：m）

將盤體結(jié)構(gòu)和錐體結(jié)構(gòu)分別視為兩個(gè)振子，兩個(gè)振子結(jié)構(gòu)不同，特性阻抗也存在差異。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，在較寬的頻率范圍內(nèi)，兩個(gè)振子的輸入阻抗互補(bǔ)，天線的輸入阻抗變化緩慢，與同軸線纜阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)了超寬帶特性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，盤錐天線的特性阻抗與錐體傾角角度α 有關(guān)，一般可通過(guò)優(yōu)化α 來(lái)調(diào)節(jié)阻抗匹配。盤體尺寸不能過(guò)小，否則天線的輻射電抗分量增大的同時(shí)輻射電阻減小，影響阻抗匹配。

本文中的盤錐天線將傳統(tǒng)形式中的盤體和錐體兩部分互換，饋電部分采用同軸線纜進(jìn)行饋電，同軸線纜的內(nèi)導(dǎo)體與錐體結(jié)構(gòu)連接，外導(dǎo)體與盤體結(jié)構(gòu)連接，選取結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好的方盤替換傳統(tǒng)的圓盤。當(dāng)金屬桿之間的間距遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，鏤空的線柵結(jié)構(gòu)可近視為完整的面結(jié)構(gòu)，所以錐體部分采用12 根等間距的金屬桿構(gòu)成錐體，在性能上和完整的面結(jié)構(gòu)錐體結(jié)構(gòu)等效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低成本。

頂部加載是盤錐天線小型化的一種有效方式。天線在不同頻率下的電流分布如圖2 所示，在3 MHz 時(shí)，即低頻段，電流主要集中在方盤中心、四根短路柱及周圍地區(qū)；在15 MHz時(shí)，即中頻段，電流主要集中在錐體部分和地面中心部分，在30 MHz時(shí)，即高頻段，電流主要集中在錐體部分和地面周圍部分，所以，天線的錐體部分主要影響中高頻，頂部的金屬加載主要影響低頻。頂部加載使天線頂端產(chǎn)生電流，延長(zhǎng)了電流的流動(dòng)路徑，改善了天線在低頻段的阻抗匹配，拓寬了天線的工作頻段。

圖2 不同頻率下的電流分布

是否頂部加載的輸入阻抗變化如圖3 所示，未頂部加載的天線輸入阻抗在低頻段變化劇烈，頂部加載后，在低頻段加載結(jié)構(gòu)與地板之間形成分布電容，實(shí)部和虛部部分有了明顯的改善，變化平緩。頂部加載之后出現(xiàn)新的諧振點(diǎn)，降低了低頻截止頻率，有效的改善了天線低頻段的阻抗匹配，驗(yàn)證了頂部加載的有效性。

圖3 是否頂部加載的輸入阻抗對(duì)比

盤錐天線常采用圓盤等面結(jié)構(gòu)作為頂部加載，短波頻段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，頂部加載部分的尺寸也大，在工程實(shí)踐制作中也造成了較大的困擾。對(duì)于完整面的圓盤加載，電流主要集中在圓盤邊緣部分，越趨近于圓盤中心，電流逐漸減弱。保留電流較強(qiáng)的邊緣部分，鏤空中間電流較小的區(qū)域，對(duì)此，本文提出了一種新型的頂部加載形式，如圖1 所示，僅由兩個(gè)圓環(huán)和兩根正交的“十”字架金屬桿組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圓環(huán)結(jié)構(gòu)與地板之間形成分布電容，改善低頻阻抗值。“十”字架金屬桿增加了電流的流動(dòng)路徑，進(jìn)一步拓展了低頻帶寬，也起到了支撐的作用。引入了金屬短路柱，等效為在原有電容加載的基礎(chǔ)上引入電感分量，從而在工作頻帶內(nèi)引入一個(gè)新的諧振頻率，改善了低頻阻抗帶寬。

如圖4 所示，在VSWR<2.5 的標(biāo)準(zhǔn)下，未頂部加載的盤錐天線覆蓋6.6～35 MHz，模型高度為10.85 m，即0.24λ；頂部加載之后的盤錐天線覆蓋2.74～35 MHz，模型高度為12.45 m，即0.11λ，有效降低了低端截止頻率，電尺寸減小了一半，實(shí)現(xiàn)小型化的目的。本文中采用的頂部加載雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是依舊起到了良好的小型化作用。

圖4 是否頂部加載VSWR對(duì)比

通過(guò)電磁仿真軟件仿真分析了頂部加載和錐體間距h2 對(duì)VSWR 的影響，從圖5 可以看出，當(dāng)h2 < 1.6 m 時(shí)，低頻段阻抗失配，VSWR 增大到2.5 以上。當(dāng)h2 >1.6 m 時(shí)，最低工作頻率略微向低頻移動(dòng)，但是天線整體高度增加，因此綜合考慮，選取h2=1.6 m 作為頂部加載和錐體間距，在滿足低頻段VSWR<2.5 要求的同時(shí)減小了天線高度。

圖5 VSWR隨頂部加載和錐體間距的變化曲線

2 天線縮比仿真與加工實(shí)測(cè)

由于短波天線尺寸較大，其加工周期較長(zhǎng)且相關(guān)特性的測(cè)量都具有一定的難度和較長(zhǎng)的周期，因此為了更快的對(duì)該天線方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)天線進(jìn)行縮比加工。電尺寸一致時(shí)，縮比模型的輻射方向圖、天線輸入阻抗等都與原本尺寸下的方向圖、輸入阻抗非常接近，遂將天線模型物理尺寸縮小200倍進(jìn)行加工。實(shí)物圖如圖6所示，縮比后的天線物理尺寸只有17 cm×17 cm×6.7 cm（0.27λ×0.27λ×0.1λ），尺寸較小，方便對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)量，以此來(lái)驗(yàn)證該天線方案的可行性。

圖6 天線實(shí)物

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A 測(cè)試了天線的VSWR 曲線，如圖7 所示，可以看到VSWR 測(cè)試曲線和仿真曲線基本吻合，實(shí)測(cè)VSWR<2.5 阻抗帶寬覆蓋0.47～6.5 GHz，有效工作頻段還可以繼續(xù)向高頻延伸，工作帶寬超過(guò)13倍頻，具有良好的超寬帶特性。

圖7 VSWR的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

使用微波暗室測(cè)試了天線E 面、H 面方向圖以及增益。圖8 為天線在不同頻率下E 面歸一化方向圖的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果，方向圖大致吻合。在低頻時(shí)，方盤的電尺寸小，方向圖與偶極子類似，隨著頻率增加，方盤電尺寸也隨之增加，方盤對(duì)天線產(chǎn)生不可忽略的影響，主輻射方向向上半平面傾斜。圖9 為天線H 面歸一化方向圖，由于盤錐天線是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，H面方向圖近似于圓形，實(shí)測(cè)不圓度為±1.8 dB，具有良好的全向輻射特性。但是由于頂部圓環(huán)是手工繞制而成，有一定的誤差，E 面和H 面方向圖也因此存在一些偏差，實(shí)測(cè)不圓度比仿真值大。總體而言，天線還是具有良好的水平全向輻射特性。圖10為天線的增益曲線，在工作頻段內(nèi)，天線的測(cè)試增益為1.9～7.8 dBi，增益最高可達(dá)到7.8 dBi。

圖8 不同頻率下的E面歸一化方向圖仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖8 不同頻率下的E面歸一化方向圖仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比（續(xù)）

圖9 H面歸一化方向圖仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖10 天線增益曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種小型化超寬帶盤錐短波天線，對(duì)傳統(tǒng)盤錐天線進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，利用金屬桿代替盤錐天線錐體部分的金屬面結(jié)構(gòu)，在保持原有特性的同時(shí)，簡(jiǎn)化了天線結(jié)構(gòu)。采取頂部加載的形式，在電流較強(qiáng)的邊緣部分加載了兩個(gè)對(duì)稱的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，正交的“十”字架金屬桿既增加了電流的流動(dòng)路徑，又起到了支撐的作用，降低了天線的剖面，實(shí)現(xiàn)了小型化。通過(guò)縮比測(cè)試驗(yàn)證了該天線結(jié)構(gòu)可行性，天線的VSWR<2.5 阻抗帶寬超過(guò)13倍頻，具有超寬帶特性，在工作頻帶內(nèi)增益最高可達(dá)7.8 dBi，采用頂部加載減小了天線尺寸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于短波波段。