小型化盤錐天線的設(shè)計(jì)與仿真

1 引言

VHF/UHF頻段的車載電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)天線，其工作頻率范圍從30MHz~3000MHz，頻率比達(dá)到1:100。這樣寬的工作頻率范圍，一般難以用一個(gè)天線來覆蓋，通常是由兩個(gè)天線分頻實(shí)現(xiàn)的。負(fù)責(zé)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(xiàn)中對(duì)盤錐天線的各性能做了詳盡而細(xì)致的描述。它具有寬頻帶，近乎均勻的角向覆蓋，而且體積?。ㄏ鄬?duì)于雙錐天線，體積減小了一半）等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)車載監(jiān)測(cè)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(yùn)動(dòng)行駛極其不利，大大影響了車載無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)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(gè)緊迫且具有重大理論和實(shí)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(biāo)的提前下，盡量減小尺寸。

在文獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)了小型化；文獻(xiàn)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(fù)載成功的使天線尺寸減少了近25%；文獻(xiàn)中將兩個(gè)不等角的錐組合在一起分頻工作，實(shí)現(xiàn)了180M~18GHz的超寬帶性能，其中也運(yùn)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(shí)現(xiàn)了小型化，滿足了車載監(jiān)測(cè)中高頻段天線的性能要求。

2 基本理論及分析設(shè)計(jì)過程

2.1 傳統(tǒng)盤錐天線

盤錐天線是由一個(gè)導(dǎo)體圓盤和一個(gè)導(dǎo)體圓錐構(gòu)成的。饋電時(shí)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(jìn)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(duì)饋電點(diǎn)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(gè)波長(zhǎng)左右。圓錐張角θ的選擇與斜高L有關(guān)。當(dāng)張角較小時(shí)，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(zhǎng)=k*λmax /4。其中λmax 是工作頻段下限工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，比例系數(shù)k一般在1.1—1.3范圍內(nèi)取值。

2.2 設(shè)計(jì)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(biāo)，α為正弦曲線所轉(zhuǎn)過的角度，p為每一單元組線段編號(hào)，τ是每個(gè)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(zhǎng)，增大電尺寸，從而適當(dāng)?shù)母纳频皖l段性能，實(shí)現(xiàn)了盤錐天線的小型化。通過高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS將曲線貼片賦形到盤錐上，實(shí)現(xiàn)了本文設(shè)計(jì)。

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(huì)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(yuǎn)場(chǎng)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(diǎn)較遠(yuǎn)即電流相對(duì)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(zhǎng)度，實(shí)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(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)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(zhǎng)為88mm。在貼片曲線下方是一段厚度為1mm的FR4介質(zhì)，整個(gè)天線分頻段進(jìn)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(gè)頻點(diǎn)的E面輻射方向圖。圖中可看出在低頻時(shí)（如0.7GHz），導(dǎo)體圓盤的電尺寸小，其方向圖與短振子相似；當(dāng)頻率增加，導(dǎo)體圓盤的電尺寸逐漸加大，對(duì)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(shí)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(duì)比圖

圖7是本文設(shè)計(jì)天線與傳統(tǒng)盤錐天線各頻點(diǎn)的增益對(duì)比圖。圖中實(shí)線表示本文設(shè)計(jì)的盤錐天線增益，虛線表示傳統(tǒng)盤錐天線增益?？梢钥闯鲈O(shè)計(jì)天線在較低頻段處與傳統(tǒng)天線相當(dāng)，較高頻段時(shí)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(jì)盤錐與傳統(tǒng)盤錐在0.7GHz、1.5GHz、2GHz三個(gè)頻點(diǎn)的主極化和交叉極化對(duì)比圖。圖中本文設(shè)計(jì)的盤錐天線用實(shí)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(xì)線表示?？梢钥闯?，在輻射方向上，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(duì)傳統(tǒng)盤錐天線有所下降。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)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(duì)比較穩(wěn)定，從仿真的角度驗(yàn)證了該天線滿足車載監(jiān)測(cè)天線的性能要求。