超寬帶盤(pán)錐天線的設(shè)計(jì)

起寬帶盤(pán)錐天線的設(shè)計(jì)山團(tuán)彪;雷振亞;謝擁軍;邢連發(fā);李平【摘要】介紹了盤(pán)錐天線的性能、設(shè)計(jì)原理，分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的影響.通過(guò)改變天線結(jié)構(gòu)，即在圓盤(pán)和下錐體之間引入一個(gè)上錐體，將盤(pán)錐天線和雙錐天線結(jié)合起來(lái)，既保持了盤(pán)錐天線的特性，又減少了圓盤(pán)和下錐體的分布電容,從而有效地增加了其帶寬.在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上利用ANSOFTHFSS軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的新型盤(pán)錐天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果表明天線覆蓋了從300MHz到10GHz的頻帶，在33:1的帶寬范圍內(nèi)駐波比基本小于3,該方法有效地展寬了帶寬.【期刊名稱】《電訊技術(shù)》【年(卷)，期】2011(051)001【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P93-97)【關(guān)鍵詞】超寬帶;盤(pán)錐天線;雙錐天線;天線仿真【作者】山團(tuán)彪;雷振亞;謝擁軍;邢連發(fā)津平【作者單位】西安電子科技大學(xué),天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安,710071;西安電子科技大學(xué),天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安,710071;西安電子科技大學(xué),天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安,710071;北京航空航天大學(xué)，電磁兼容實(shí)驗(yàn)室，北京,100083;西安電子科技大學(xué),天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710071;西安電子科技大學(xué),天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710071【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TN015;TN821引言鑒于超寬帶(UWB)技術(shù)具有巨大的商業(yè)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景,2002年2月14日,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)了超寬帶(UWB)技術(shù)用于短距離無(wú)線通信的申請(qǐng)，并開(kāi)放了3.1~10.6GHz的頻譜資源供其使用［1］。超寬帶天線系統(tǒng)的發(fā)展促進(jìn)了天線寬帶技術(shù)的快速發(fā)展。UWB天線要求其輸入阻抗和相位中心都具有超寬頻帶不變特性。在已有的UWB天線中，例如雙錐天線、盤(pán)錐天線、雙脊喇叭天線、對(duì)數(shù)周期天線等，盤(pán)錐天線由于其水平全向方向輻射和相對(duì)較小的尺寸，被廣泛用于UWB系統(tǒng)中［2］。盤(pán)錐天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有良好的寬帶特性，垂直線極化，在水平面內(nèi)全向輻射，且最大輻射方向在水平方向［2,3］。通常盤(pán)錐天線的頻帶寬度為8倍頻,工作于VHF和UHF(300~3000MHz)頻段［4］。盤(pán)錐天線優(yōu)良的阻抗寬頻帶特性主要得益于其特殊的幾何結(jié)構(gòu)。盤(pán)錐天線可以看成上錐體半張角為01=90°.下錐體半張角為00的雙錐天線。盤(pán)錐天線保持了雙錐天線寬頻帶的基本特點(diǎn)，其寬頻帶特性得益于它的非對(duì)稱激勵(lì)方式。如果將盤(pán)錐結(jié)構(gòu)的盤(pán)和下錐體分別看成是兩個(gè)單極子,則這兩個(gè)單極子的輸入阻抗是不同的，整個(gè)天線的輸入阻抗可看成是這兩個(gè)單極子的輸入阻抗的串聯(lián)。只要合理設(shè)計(jì),就可以使這兩個(gè)單極子的輸入阻抗隨頻率變化起互補(bǔ)的作用，且在很寬的頻率范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定。文獻(xiàn)［1］還介紹了盤(pán)錐天線其它展寬頻帶的方法，將母線改為折線、下錐體頂端光滑過(guò)渡、圓盤(pán)的邊緣改為半圓弧的盤(pán)錐天線,都可以減少電磁波的反射,從而在一定程度上展寬了阻抗帶寬。2盤(pán)錐天線的理論盤(pán)錐天線是Kandoian在1945年提出來(lái)的。傳統(tǒng)的盤(pán)錐天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示［5］,圓盤(pán)與50W同軸饋電電纜的內(nèi)導(dǎo)體相連接，圓錐的錐頂與同軸線外導(dǎo)體相連接［6,7］。圖1盤(pán)錐天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1Geometryofthedisconeantenna圖中,D為圓盤(pán)直徑,h為上錐體高度，。為上錐體的裙角,Dmin為下錐體上表面直徑,Dmax為下錐體下表面直徑川為下錐體高度,。0為下錐體的裙角,L為下錐體母線長(zhǎng)。盤(pán)錐天線的特性阻抗［7］近似為盤(pán)錐天線的等效電路如圖2所示。其中Z0為盤(pán)錐天線的特性阻抗,Y(l)=G+jX為天線輻射導(dǎo)納。Y(l)電抗部分包含圓盤(pán)和下錐體之間的電容。由傳輸線理論，盤(pán)錐天線的輸入阻抗為式中,k0=3是自由空間的波數(shù)。由此看到,盤(pán)錐天線的輸入阻抗是其電長(zhǎng)度k0l的函數(shù)。而Zin隨電長(zhǎng)度k0l變化的快慢程度主要由其終端導(dǎo)納Y(l)=決定。如果Y(l)接近于雙錐天線的特性導(dǎo)納，則天線的輸入阻抗幾乎不隨電長(zhǎng)度變化。圖2盤(pán)錐天線等效電路模型Fig.2Equivalentcircuitofthedisconeantenna本文在盤(pán)和下錐體之間增加了一個(gè)圓臺(tái)結(jié)構(gòu)的上錐體，如圖3所示。原來(lái)的結(jié)構(gòu)使得盤(pán)和下錐體之間存在一個(gè)電容，使得阻抗的虛部隨頻率變化非常劇烈。盤(pán)錐天線是從雙錐天線演化而來(lái)，所以可以結(jié)合盤(pán)錐天線和雙錐天線，也就是引入一個(gè)上錐體，既增加了盤(pán)錐天線的平滑過(guò)渡，又不影響盤(pán)錐天線的基本特性。相比原來(lái)的平板電容,改變后的結(jié)構(gòu)的分布電容是漸變的，電容大小隨頻率變化相對(duì)平緩,通過(guò)改變上錐體的裙角&可以改變此電容的大小,實(shí)現(xiàn)和下錐體的阻抗匹配,從而改善盤(pán)錐天線的駐波比。改進(jìn)前后盤(pán)和下錐體之間的距離是不變的。除了這個(gè)上錐體之外，改進(jìn)前后盤(pán)錐天線的其它尺寸都是一樣的。圖3改進(jìn)結(jié)構(gòu)前后的盤(pán)錐天線模型Fig.3Thedisconeantennamodelandtheimprovedone小錐角(。0<20。)的盤(pán)錐天線,Zin隨電長(zhǎng)度k0l變化劇烈［7］,所以設(shè)計(jì)時(shí)錐角不能太小。由公式(1)可知，當(dāng)00=45°時(shí),盤(pán)錐天線的特性阻抗近似為53W。盤(pán)的直徑不可太小，否則輻射電阻小，電抗分量大，難與饋線良好匹配。通常取盤(pán)的直徑稍小于下限工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4，斜高則略長(zhǎng)于下限工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4。錐角一般取30。~60。之間［8］。上錐的高度會(huì)影響到盤(pán)與下錐體之間的電容，進(jìn)而影響天線的輸入阻抗，合適的上錐體可以部分改善盤(pán)錐天線的性能。3盤(pán)錐天線理論計(jì)算與仿真可以在工作頻段的最低工作頻率上設(shè)計(jì)盤(pán)錐天線，圓盤(pán)直徑D20.15入max,天線高度(H+h)>0.2Amax,下錐體的裙角00在25。~30°之間。典型的中心頻率尺寸是:L=0.7入,Dmax=0.6入,D=0.4入,00=25。和h<<D。設(shè)計(jì)中心頻率為1GHz時(shí)L=21.3cm,Dmax=19.3cm,00=27。。按照中心頻率在1GHz下計(jì)算盤(pán)錐天線的各個(gè)尺寸,分別對(duì)天線的各個(gè)變量進(jìn)行參數(shù)掃描，在ANSOFTHFSS軟件里建立多個(gè)仿真模型。根據(jù)仿真結(jié)果,分析各個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的影響及其最優(yōu)值范圍。從仿真過(guò)程中我們可以看到,圓盤(pán)的直徑D是影響方向圖的主要因素，直徑太大,將使水平方向以上的上半空間的輻射減弱，尺寸太小則趨向于破壞天線的寬頻帶特性。上錐體高度h對(duì)方向圖也有較大影響,對(duì)駐波影響也較大，上錐體的尺寸對(duì)盤(pán)錐天線性能影響較大，下錐體的下底面直徑Dmax對(duì)方向圖和駐波比影響較小，下錐體的錐角00對(duì)特性阻抗影響很大。如果錐角太小，則天線阻抗變化很劇烈;錐角太大，雖然天線阻抗變化不劇烈，但是難于與饋線匹配。合適的錐角是設(shè)計(jì)盤(pán)錐天線最重要的一步。錐角太大或太小都會(huì)影響天線的帶寬。下面說(shuō)明下錐角00的分析結(jié)果。從圖4中00的掃描仿真結(jié)果可以看到盤(pán)錐天線隨00的變化不是成線性變化，而是有個(gè)最佳值，偏離這個(gè)最佳值,結(jié)果都會(huì)變得很差。圖4駐波比隨00角掃描變化曲線Fig.4ThevarianceoftheVSWRwith004仿真結(jié)果利用ANSOFTHFSS仿真軟件，添加各個(gè)優(yōu)化變量，設(shè)圓盤(pán)的直徑、圓盤(pán)和下錐體的間距、下錐的高度、下錐的錐角等為優(yōu)化變量，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為駐波比小于2.5。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，得到最后的主要尺寸為:Dmax=360mm,Dmin=36mm,00=0.55rad,h=24mm,d=284mm,H=235mm。盤(pán)錐天線的阻抗虛部如圖5所示，從阻抗變化曲線可以看出，增加了上錐體之后，改善了盤(pán)與下錐體之間的分布電容，天線的電抗部分有明顯的改善，電抗曲線變化變得平緩。圖5結(jié)構(gòu)改變前后的阻抗對(duì)比Fig.5Thereactancebeforeandafterimprovingthestructure盤(pán)錐天線的駐波比如圖6所示，從駐波曲線圖可以看出此天線覆蓋了從300MHz~10GHz的頻段，帶寬明顯展寬，達(dá)到33倍頻帶寬。從圖6中通過(guò)對(duì)比可以看出，改進(jìn)前的盤(pán)錐天線的駐波比基本都在5以上，改進(jìn)后的盤(pán)錐天線駐波比有很大提高，基本都保持在3以下。仿真結(jié)果表明引進(jìn)上錐體有效地降低了天線的駐波比。圖6改進(jìn)模型前后的駐波比對(duì)比Fig.6TheVSWRbeforeandafterimprovingthestructure盤(pán)錐天線的輻射方向圖如圖7所示，當(dāng)頻率在0.7GHz的時(shí)候，此結(jié)構(gòu)小于一個(gè)波長(zhǎng),輻射電場(chǎng)方向圖接近短振子的輻射方向圖，增益最大值為3.7dBi。當(dāng)頻率在4GHz的時(shí)候，增益最大值為7dBi;當(dāng)頻率在7GHz的時(shí)候，增益最大值為5.5dBi。當(dāng)頻率升高的時(shí)候，圓盤(pán)的電尺寸增大，由于圓盤(pán)的"屏蔽”作用，使最大輻射方向偏離水平方向而向下偏移,輻射波瓣被限制在下半空間，但最大輻射方向基本在90。~270。之間。由于圓盤(pán)和下錐體的電尺寸增大，超過(guò)工作波長(zhǎng)所以形成很多副瓣。從圖7(b)可以看出在水平面上，盤(pán)錐天線為全向輻射方向圖。在不同的頻率下，盤(pán)錐天線的增益大小不同。5結(jié)論本文將雙錐天線和盤(pán)錐天線結(jié)合起來(lái)，在盤(pán)錐天線的盤(pán)和下錐體之間引入上錐體，從而把盤(pán)錐天線和雙錐天線結(jié)合起來(lái)，在保持了盤(pán)錐天線基本性能的同時(shí)，有效地改善了天線的帶寬，減小了天線的尺寸。傳統(tǒng)的盤(pán)錐天線工作在300MHz~2.4GHz,一個(gè)典型盤(pán)錐天線工作在30~700MHz頻率時(shí)駐波小于3,最大尺寸在2.75m,而本文改進(jìn)后的盤(pán)錐天線覆蓋了300MHz~10GHz的帶寬，帶寬達(dá)到33倍頻，明顯得到了展寬,而最大尺寸在0.36m,比原先的尺寸要小很多。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，駐波比基本小于3,但也使天線的最大輻射方向在高頻時(shí)向下半空間偏移較多。從仿真結(jié)果來(lái)看相比沒(méi)有上錐體的盤(pán)錐天線新增加的上錐體有效地改善了天線的阻抗特性，使得天線和饋線良好匹配，降低了天線的駐波。設(shè)計(jì)出的天線尺寸大大減小，相比文獻(xiàn)中的其它小型化技術(shù)容易加工達(dá)到了天線小型化的目的。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】杜瑞?應(yīng)用于UWB系統(tǒng)的圓錐天線的分析與設(shè)計(jì)[D].南京:東南大學(xué),2005:18-41.DURui.AnalysisanddesignofconicalantennaappliedtoUWBsystems[D].Nanjing:SoutheastUniversity,2005:18-41.(inChinese)周朝棟，王元坤,楊恩耀.天線與電波[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999:109-110.ZHOUChao-dong,WANGYuan-kun,YANGEn-yao.AntennaandRadio[M].Xi'an:XidianUniversityPress,1999:109-110.(inChinese)JinuKim,Seong-OokPark.NovelUltra-WidebandDisconeAntenna[J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2004,42(2):113-115.Ki-HakKim,Jin-UKim,Seong-OokPark.AnUltrawide-BandDoubleDisconeAntennaWiththeTaperedCylindricalWires[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2005,53(10):3403-3406.YongweiZhang.TheDisconeAntennainaBPSKDirect-SequenceIndoorUWBCommunicationSystem[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2006,54(4):1675-1680.盧萬(wàn)錚.天線理論與技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004:113-116.LUWan-zheng.Antennatheoryandtechnology[M].Xi'an:XidianUniversityPress,2004:113-116.(inChinese)王元坤，李玉權(quán).線天線的寬頻帶技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1995:11-32.WANGYuan-kun,LIYu-quan.Thebroadbandlinearantenna