小型化盤錐天線的設(shè)計與仿真

1 引言

VHF/UHF頻段的車載電磁場監(jiān)測天線，其工作頻率范圍從30MHz~3000MHz，頻率比達到1:100。這樣寬的工作頻率范圍，一般難以用一個天線來覆蓋，通常是由兩個天線分頻實現(xiàn)的。負責高頻段的天線一般覆蓋頻段為700MHz-3000MHz。

盤錐天線最早由Armig G. Kandoian在1943年提出，而后J.J.Nail在文獻中對盤錐天線的各性能做了詳盡而細致的描述。它具有寬頻帶，近乎均勻的角向覆蓋，而且體積小（相對于雙錐天線，體積減小了一半）等優(yōu)點，因此一直是寬帶天線中最受關(guān)注的天線之一。但應(yīng)用于較低頻段，普通的盤錐天線往往尺寸較大，占用了很大空間，對車載監(jiān)測系統(tǒng)中面臨的一些惡劣的工作環(huán)境，天線的安裝、卸載，及車輛的運動行駛極其不利，大大影響了車載無線電監(jiān)測系統(tǒng)的機動性、可靠性和操作性。因此，高性能小型寬帶天線的研制己成為一個緊迫且具有重大理論和實際意義的課題。所以，近年來各種小型化的方法不斷被提出來，使天線在不損害電性能指標的提前下，盡量減小尺寸。

在文獻中，介紹了一種工作在250M~1100MHz的盤錐天線，該天線通過在錐體下方接介質(zhì)柱順利的壓低了駐波比，實現(xiàn)了小型化；文獻中介紹了工作在110M~1000MHz的寬頻帶盤錐天線，在該天線外圍接集總負載成功的使天線尺寸減少了近25%；文獻中將兩個不等角的錐組合在一起分頻工作，實現(xiàn)了180M~18GHz的超寬帶性能，其中也運用了金屬錐線漸變、介質(zhì)加載等技術(shù)。

本文提出了用曲線貼片代替盤錐導(dǎo)體錐的方法，在盡可能不影響其他性能的前提下，成功地減小了天線的尺寸，實現(xiàn)了小型化，滿足了車載監(jiān)測中高頻段天線的性能要求。

2 基本理論及分析設(shè)計過程

2.1 傳統(tǒng)盤錐天線

盤錐天線是由一個導(dǎo)體圓盤和一個導(dǎo)體圓錐構(gòu)成的。饋電時同軸傳輸線的外導(dǎo)體連接導(dǎo)體圓錐，內(nèi)導(dǎo)體連接導(dǎo)體圓盤，盤錐天線具有和雙錐天線相似的性能，其輸入阻抗是雙錐輸入阻抗的一半：

其中為半錐角。為了保持寬頻帶特性，一般取值在25°~35°之間，因此從上式算出輸入阻抗通常在60歐姆左右，可以不用巴倫也能與50歐姆同軸線進行很好的匹配。圖1是盤錐結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 盤錐結(jié)構(gòu)圖

盤錐中d值的大小和圓錐的2r對饋電點處的分布電容的大小有著不可忽略的影響，因而影響天線輸入端的匹配效果，一般d=0.3*2r ，a=0.7*2R ；2R大約在四分之一個波長左右。圓錐張角θ的選擇與斜高L有關(guān)。當張角較小時，L應(yīng)取得大一些，以便有足夠的阻抗過渡空間。通常，錐體的斜高L可取為L=k*λmax /4。其中λmax 是工作頻段下限工作頻率所對應(yīng)的波長，比例系數(shù)k一般在1.1—1.3范圍內(nèi)取值。

2.2 設(shè)計思路

本文采用六條曲線貼片代替了傳統(tǒng)盤錐天線的下錐體。此處所用的曲線是正弦曲線

式中r和Ф為曲線的極坐標，α為正弦曲線所轉(zhuǎn)過的角度，p為每一單元組線段編號，τ是每個單元組線段之間的比例常數(shù)，半徑R_P的關(guān)系式為：

這樣改變了傳統(tǒng)盤錐天線的徑向電流流向，使電流沿著曲線貼片彎曲的走線，橫向電流相互抵消，徑向電流相互疊加，從而使電流走過的路徑增長，增大電尺寸，從而適當?shù)母纳频皖l段性能，實現(xiàn)了盤錐天線的小型化。通過高頻電磁場仿真軟件HFSS將曲線貼片賦形到盤錐上，實現(xiàn)了本文設(shè)計。

并由于考慮到盤錐的饋電處電流較大，采取曲線貼片的形式一味地增加電流流過的路徑會極大的影響到盤錐原本的電流分布，從而導(dǎo)致增加反射和惡化遠場方向圖，所以本文在靠近饋電處一段還是沿用了傳統(tǒng)盤錐原來的金屬錐結(jié)構(gòu)，并在距饋電點較遠即電流相對較小處改用曲線貼片的形式，這樣既保證了盤錐原來的特性，又增加了天線電長度，實現(xiàn)了天線的小型化。模型和結(jié)構(gòu)如下圖2、3所示。

圖2 盤錐天線模型圖

圖3 結(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果

通過HFSS12軟件對各個參數(shù)進行了參數(shù)優(yōu)化分析，最終確定各參數(shù)為：盤錐總高為97mm，半徑R=60mm，r=3.6mm，L=112mm，θ=30°，a=90mm，d=3.6mm，h=20.5mm，六條正弦臂α=22.5°，δ=10°，τ=0.75，錐體下漸變曲線長為88mm。在貼片曲線下方是一段厚度為1mm的FR4介質(zhì)，整個天線分頻段進行仿真，頻段分別為0.5GHz-1.3GHz、1.3GHz-3GHz、3GHz-5GHz、5GHz-8GHz，中心頻率依次為1GHz、2GHz、4GHz、6.5GHz。仿真各結(jié)果如下：

圖4 VSWR

圖4是VSWR隨頻率變化的曲線圖。上圖中看出，在0.67GHz-7.1GHz頻段范圍內(nèi)，VSWR2.2，其中97%以上的頻段內(nèi)VSWR2，滿足性能要求。

圖5分別是0.7GHz、1.5GHz、2GHz三個頻點的E面輻射方向圖。圖中可看出在低頻時（如0.7GHz），導(dǎo)體圓盤的電尺寸小，其方向圖與短振子相似；當頻率增加，導(dǎo)體圓盤的電尺寸逐漸加大，對天線產(chǎn)生不可忽略的影響，使方向圖逐漸向下半空間壓縮，如圖5（b）、（c），同時也伴隨著旁瓣的產(chǎn)生。

（a）0.7GHz

（b）1.5GHz

（c）2GHz

圖5 E面輻射方向圖

圖6 H面輻射方向圖

圖6可看出，盤錐天線在H面內(nèi)是全向輻射的，具有很好的全向性。

圖7 增益對比圖

圖7是本文設(shè)計天線與傳統(tǒng)盤錐天線各頻點的增益對比圖。圖中實線表示本文設(shè)計的盤錐天線增益，虛線表示傳統(tǒng)盤錐天線增益。可以看出設(shè)計天線在較低頻段處與傳統(tǒng)天線相當，較高頻段時增益略低于傳統(tǒng)盤錐天線。在工作頻段內(nèi)，增益大約穩(wěn)定在2~3dB之間。

（a）0.7GHz

（b）1.5GHz

（c）2GHz

圖8 主極化和交叉極化方向圖

圖8是本文設(shè)計盤錐與傳統(tǒng)盤錐在0.7GHz、1.5GHz、2GHz三個頻點的主極化和交叉極化對比圖。圖中本文設(shè)計的盤錐天線用實線表示，傳統(tǒng)天線用虛線表示，主極化用粗線表示，交叉極化用細線表示?？梢钥闯觯谳椛浞较蛏?，主極化的方向圖性能很好，交叉極化隔離度隨著頻率的升高而減小，交叉極化性能相對傳統(tǒng)盤錐天線有所下降。

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一款新型的小型化寬帶盤錐天線。該天線通過采用曲線貼片代替導(dǎo)體圓錐的方法大大的減小了盤錐天線的尺寸。HFSS仿真結(jié)果表明，該天線在0.67GHz-7.1GHz的頻段內(nèi)得到了較好的方向圖和駐波比性能，H面輻射方向圖具有全向性，增益相對比較穩(wěn)定，從仿真的角度驗證了該天線滿足車載監(jiān)測天線的性能要求。