盘锥天线的分析与设计

盘锥天线的分析与设计摘要近来VHF和UHF频段的通讯设备正逐步向宽带一体化的方向快速发展，这同时也就要求作为通讯前端的天线必须具有宽带特性。为了满足用户的需求，我们采用了具有良好电性能和机械性能的盘锥天线作为系统的通讯天线。本文对盘锥天线进行了理论分析，并介绍了盘锥天线的一种设计方法。理论分析及实验结果均表明，本次设计的盘锥天线，其各项性能指标均可满足用户应用要求。关键词：宽频带；全向天线1、引言盘锥天线是一种具有宽频带、线极化特性的全向天线。这种天线是由一个导体圆盘和一个导体圆锥构成的，该天线可以被看成双锥天线的变形，即把双锥天线的其中一个圆锥振子改成圆盘后就形成了盘锥天线。圆盘的中心与馈电同轴电缆的内导体相连，圆锥的锥顶与同轴线外导体相连。其结构如图（1）所示。图（1）天线示意图本次设计的天线采用粗振子构成天线锥面，天线的总高度约为0.325λmax（不含支架），功率容量较大，采用50Ω高频电缆馈电。该天线的主要特点是：在4:1的带宽内天线的电压驻波比（VSWR）小于2，并在水平面内产生全向性的方向图和辐射垂直极化波。此外，合理的结构设计使天线的重量大大减轻，便于装拆，符合用户的应用要求。支撑杆振子绝缘体顶盘2、理论分析2.1、辐射特性分析由于盘锥天线的辐射特性在许多方面与传统的双锥天线类似，因此为了对盘锥天线的辐射特性作一个定性的分析，我们做以下假设：（1）假设天线的盘为无限大理想导体；（2）根据镜像理论，再把实际天线近似为高度、侧面积和张角均相等的双锥天线来进行分析计算。图（2）在球坐标系下，用分离变量法解波动方程（2ψ+k0ψ=0）可以得到：ψ(r,θ)=∑rTv(θ)Zv(k0r)（1）其中：Tv(θ)是v阶第一类和第二类勒让德函数的一个线性组合；Zv(k0r)则是v阶广义的球贝塞尔函数；k0=ω(ε0μ0)1/2是自由空间波数。考虑到勒让德函数和球贝塞尔函数的特性，锥体外部内域和外域中的位函数[1]应分别取为：内域：A1=∑rTv(θ)Jv(k0r)（2）外域：A2=∑nBnPn(cosθ)Hn(k0r)（3）其中：Tv(θ)=CvPv(θ)+DvPv(-cosθ)；Jv(k0r)=k0rjv(k0r)；jv(k0r)是第一类v阶球贝塞尔函数，它代表在r方向的一个驻波；Hn(k0r)=k0rhn(k0r)；hn(k0r)是第二类n阶球汉克尔函数，它代表沿r方向的外向行波；Pn(cosθ)是勒让德方程的线性解；式中v是待定常数，n是非零的整数，Bn、Cv、Dv是待定的展开系数。代入边界条件，可解得双锥天线的方向图函数为：f(θ)=∑njn-1Bn(θ)P/n(cosθ)sinθ（4）公式（4）给出了双锥天线的方向图特性，其波束宽度与盘锥天线的较近似。但由于盘锥天线的盘是有限尺寸的，因此在频段的频率高端将会对电波的辐射起到一定的“屏蔽”作用，使盘锥天线的最大辐射方向向下偏移，其最大辐射方向可以按照以下经验公式进行估算：θmax=（π/2）+arcsin(1-λ/5d)(5)根据上述分析我们可以得到以下结论：盘锥天线由于其结构的对称性，因而在与其对称轴相垂直的面内，方向图是一个圆。或者说，在水平面内其辐射是全相性的。其垂直面内方向图在低平端与普通电偶极子天线相似，这是因为频率低时圆盘电尺寸小，对方向图影响不大。当频率升高时，由于盘的“屏蔽”作用，使得最大辐射方向偏离θ=90º、方向而向下偏移，从而导致天线在水平方向的方向性系数下降。显而易见，盘锥天线的几何尺寸对方向图有着明显的影响。因此在天线设计时，盘锥的直径不能太大，如果太大，将使其垂直面的方向图偏向θ90º、的下半空间的现象更为严重，导致水平方向的方向性系数下降过多。圆盘的直径减小，将使其垂直面方向图接近于普通的无反射单极子天线的垂直面方向图，但圆盘的直径过小也会导致天线的阻抗特性恶化。此外，锥角的大小对辐射方向图的影响也十分明显。一般来说，锥角2θº很小时，天线的方向图与普通单极子的方向图相近，只是在高频端最大辐射方向图向θ90º、的下方偏移。随着锥角的增大，高频段最大辐射方向向下方偏移的现象更加严重。尤其是2θ90º、时，在高频端（f2fº）将会在上半空间（θ90º）和下半空间（θ90º）各出现一个最大辐射方向，方向图呈蝴蝶状，使得水平方向的方向系数明显下降。对应用在VHF和UHF频段的盘锥天线而言，锥顶的尺寸Dmin[如图（3）所示]的取值对方向图没有明显的影响。2.2、阻抗特性分析盘锥天线的宽频带特性得益于它非对称的激励方式和它轴对称的几何结构。如果将盘锥结构的盘和锥分别看成是两个单极子，则这两个单极子的输入阻抗是不同的。整个天线的输入阻抗可以看成是这两个单极子的输入阻抗的串联。只要设计合理就可以使这两个单极子的输入阻抗随频率的变化起到互补的作用，从而在所设计的工作频带内保持整个天线输入阻抗随频率变化不是太大。将盘锥天线近似作为一个上锥体半张角θ=90º、下锥体半张角为θº的双锥天线来分析，它具有很低的特性阻抗。盘锥天线的特性阻抗[2]近似为：Zº=60*ln(ctg(θº/2))(Ω)(6)由上式可以看出盘锥天线的特性阻抗明显低于普通振子天线，其阻抗频率特性也就明显地优于普通振子天线。3、天线的设计图（3）示意图3.1尺寸设计由于盘锥天线的输入阻抗与盘、锥的几何尺寸有关。为了实现与50Ω同轴电缆的良好匹配，盘锥天线的尺寸可按下述规律选择：（1）锥角2θº的设计：当2θº较小，斜高L较大，接近工作频率对应波长的1/2时，馈线上的驻波比明显增大，这与单极子天线在其长度接近半波长时的谐振现象相类似。如果2θº较大，盘锥天线则呈现类似于高通滤波器的特性，这是因为锥角大，振子粗，特性阻抗低，即使在锥体有较大的电长度时也容易实现与馈线匹配。一般取2θº=60º。（2）锥体斜高L的设计：斜高L的选择与锥角有关。通常2θº在25º~90º范围内选择。当2θº较小时，L应取得大一些，反之，当2θº在60º~90º范围内选择时，L可取得稍小一些。对2θº=60º情况，通常锥体的斜高可取为L=K*λmax/4，其中λmax是工作频段下限工作频率所对应波长，需注意的是锥体的斜高L应略长于下限工作频率所对DmindδDmaxLθ0应波长的1/4，所以比例系数K在1.1~1.3范围内选取。K值取得大一些可使最低频率点上馈线上的驻波比小一些，当然k值的增加，意味着天线几何尺寸的增大。实际设计尺寸为：L=97.5cm。（3）顶盘直径的设计：盘的直径和锥体长度不能太小，否则其辐射电阻小而电抗分量大，难以与馈线良好匹配。通常，顶盘的直径通常取为锥底直径Dmax的0.7倍左右。实际设计尺寸为：d=68.95cm。（4）其它尺寸的设计：盘与锥之间的间距δ的选择几乎与L和θº无关。δ值的大小对馈电点处的分布电容的大小影响很大，因而影响天线输入端的匹配效果。Dmin应视结构而定，Dmin的大小影响工作频段高端的阻抗匹配效果，因而Dmin不应过大。本设计是采用特性阻抗为50Ω的同轴电缆对天线进行馈电。实际设计尺寸为：Dmin=1cm，δ=0.3*Dmin。3.2馈电设计本次设计采用50Ω高频电缆给盘锥天线馈电。馈线的外导体接盘锥天线的锥体，内导体接盘锥天线的顶盘。这种馈电方式与天线的结构配合较好，可以在100~400MHz的带宽内提供很好的电压驻波比。3.3结构设计本次设计的盘锥天线是应用在100MHz~400MHz的宽频带天线。为了减轻天线的重量并使天线易于加工和装拆，在天线的结构设计中采取了以下措施：（1）采用12根直径为10mm的振子构成天线锥面；（2）采用12根直径为10mm的振子构成天线的盘；（3）除馈电部分采用铜质材料外，其余均采用铝合金管材；（4）采用螺纹连接方式，便于用户在使用时装拆。4、结果分析虽然前面采用解析的方法对盘锥天线的辐射特性进行了定性的近似分析，但更加严格准确的计算仍必须采用有限元法和矩量法来实现。以下给出了本文所设计的盘锥天线的计算结果与实验结果：天线的电压驻波比为：5、结论本文所设计的盘锥天线的技术指标如下：工作频率阻抗电压驻波比额定功率极化波束宽度增益（典型值）重量100~400MHz50Ω2最大250W垂直极化水平面内为全向0dB8kg该天线的设计指标达到了用户的应用要求，现已在试用。参考文献：[1]电磁波理论，JinAuKong，电子工业出版社，2003年。[2]线天线的宽频带技术，王元坤，李玉权，西安电子科技大学出版社，1996年。[3]天线工程手册，林昌禄等，电子工业出版社，2002年。