小型化盤(pán)錐天線(xiàn)的設計與仿真

1 引言

VHF/UHF頻段的車(chē)載電磁場(chǎng)監測天線(xiàn)，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(gè)天線(xiàn)來(lái)覆蓋，通常是由兩個(gè)天線(xiàn)分頻實(shí)現的。負責高頻段的天線(xiàn)一般覆蓋頻段為700MHz-3000MHz。

盤(pán)錐天線(xiàn)最早由Armig G. Kandoian在1943年提出，而后J.J.Nail在文獻中對盤(pán)錐天線(xiàn)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?。ㄏ鄬τ陔p錐天線(xiàn)，體積減小了一半）等優(yōu)點(diǎn)，因此一直是寬帶天線(xiàn)中最受關(guān)注的天線(xiàn)之一。但應用于較低頻段，普通的盤(pán)錐天線(xiàn)往往尺寸較大，占用了很大空間，對車(chē)載監測系統中面臨的一些惡劣的工作環(huán)境，天線(xiàn)的安裝、卸載，及車(chē)輛的運動(dòng)行駛極其不利，大大影響了車(chē)載無(wú)線(xiàn)電監測系統的機動(dòng)性、可靠性和操作性。因此，高性能小型寬帶天線(xiàn)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(lái)各種小型化的方法不斷被提出來(lái)，使天線(xiàn)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(pán)錐天線(xiàn)，該天線(xiàn)通過(guò)在錐體下方接介質(zhì)柱順利的壓低了駐波比，實(shí)現了小型化；文獻中介紹了工作在110M~1000MHz的寬頻帶盤(pán)錐天線(xiàn)，在該天線(xiàn)外圍接集總負載成功的使天線(xiàn)尺寸減少了近25%；文獻中將兩個(gè)不等角的錐組合在一起分頻工作，實(shí)現了180M~18GHz的超寬帶性能，其中也運用了金屬錐線(xiàn)漸變、介質(zhì)加載等技術(shù)。

本文提出了用曲線(xiàn)貼片代替盤(pán)錐導體錐的方法，在盡可能不影響其他性能的前提下，成功地減小了天線(xiàn)的尺寸，實(shí)現了小型化，滿(mǎn)足了車(chē)載監測中高頻段天線(xiàn)的性能要求。

2 基本理論及分析設計過(guò)程

2.1 傳統盤(pán)錐天線(xiàn)

盤(pán)錐天線(xiàn)是由一個(gè)導體圓盤(pán)和一個(gè)導體圓錐構成的。饋電時(shí)同軸傳輸線(xiàn)的外導體連接導體圓錐，內導體連接導體圓盤(pán)，盤(pán)錐天線(xiàn)具有和雙錐天線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行很好的匹配。圖1是盤(pán)錐結構示意圖。

圖1 盤(pán)錐結構圖

盤(pán)錐中d值的大小和圓錐的2r對饋電點(diǎn)處的分布電容的大小有著(zhù)不可忽略的影響，因而影響天線(xiàn)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(cháng)左右。圓錐張角θ的選擇與斜高L有關(guān)。當張角較小時(shí)，L應取得大一些，以便有足夠的阻抗過(guò)渡空間。通常，錐體的斜高L可取為L(cháng)=k*λmax /4。其中λmax 是工作頻段下限工作頻率所對應的波長(cháng)，比例系數k一般在1.1—1.3范圍內取值。

2.2 設計思路

本文采用六條曲線(xiàn)貼片代替了傳統盤(pán)錐天線(xiàn)的下錐體。此處所用的曲線(xiàn)是正弦曲線(xiàn)

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

這樣改變了傳統盤(pán)錐天線(xiàn)的徑向電流流向，使電流沿著(zhù)曲線(xiàn)貼片彎曲的走線(xiàn)，橫向電流相互抵消，徑向電流相互疊加，從而使電流走過(guò)的路徑增長(cháng)，增大電尺寸，從而適當的改善低頻段性能，實(shí)現了盤(pán)錐天線(xiàn)的小型化。通過(guò)高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS將曲線(xiàn)貼片賦形到盤(pán)錐上，實(shí)現了本文設計。

并由于考慮到盤(pán)錐的饋電處電流較大，采取曲線(xiàn)貼片的形式一味地增加電流流過(guò)的路徑會(huì )極大的影響到盤(pán)錐原本的電流分布，從而導致增加反射和惡化遠場(chǎng)方向圖，所以本文在靠近饋電處一段還是沿用了傳統盤(pán)錐原來(lái)的金屬錐結構，并在距饋電點(diǎn)較遠即電流相對較小處改用曲線(xiàn)貼片的形式，這樣既保證了盤(pán)錐原來(lái)的特性，又增加了天線(xiàn)電長(cháng)度，實(shí)現了天線(xiàn)的小型化。模型和結構如下圖2、3所示。

圖2 盤(pán)錐天線(xiàn)模型圖

圖3 結構圖

3 仿真結果

通過(guò)HFSS12軟件對各個(gè)參數進(jìn)行了參數優(yōu)化分析，最終確定各參數為：盤(pán)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(xiàn)長(cháng)為88mm。在貼片曲線(xiàn)下方是一段厚度為1mm的FR4介質(zhì)，整個(gè)天線(xiàn)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。仿真各結果如下：

圖4 VSWR

圖4是VSWR隨頻率變化的曲線(xiàn)圖。上圖中看出，在0.67GHz-7.1GHz頻段范圍內，VSWR2.2，其中97%以上的頻段內VSWR2，滿(mǎn)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），導體圓盤(pán)的電尺寸小，其方向圖與短振子相似；當頻率增加，導體圓盤(pán)的電尺寸逐漸加大，對天線(xiàn)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(zhù)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(pán)錐天線(xiàn)在H面內是全向輻射的，具有很好的全向性。

圖7 增益對比圖

圖7是本文設計天線(xiàn)與傳統盤(pán)錐天線(xiàn)各頻點(diǎn)的增益對比圖。圖中實(shí)線(xiàn)表示本文設計的盤(pán)錐天線(xiàn)增益，虛線(xiàn)表示傳統盤(pán)錐天線(xiàn)增益?？梢钥闯鲈O計天線(xiàn)在較低頻段處與傳統天線(xiàn)相當，較高頻段時(shí)增益略低于傳統盤(pán)錐天線(xiàn)。在工作頻段內，增益大約穩定在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是本文設計盤(pán)錐與傳統盤(pán)錐在0.7GHz、1.5GHz、2GHz三個(gè)頻點(diǎn)的主極化和交叉極化對比圖。圖中本文設計的盤(pán)錐天線(xiàn)用實(shí)線(xiàn)表示，傳統天線(xiàn)用虛線(xiàn)表示，主極化用粗線(xiàn)表示，交叉極化用細線(xiàn)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(zhù)頻率的升高而減小，交叉極化性能相對傳統盤(pán)錐天線(xiàn)有所下降。

4 總結

本文設計了一款新型的小型化寬帶盤(pán)錐天線(xiàn)。該天線(xiàn)通過(guò)采用曲線(xiàn)貼片代替導體圓錐的方法大大的減小了盤(pán)錐天線(xiàn)的尺寸。HFSS仿真結果表明，該天線(xiàn)在0.67GHz-7.1GHz的頻段內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，增益相對比較穩定，從仿真的角度驗證了該天線(xiàn)滿(mǎn)足車(chē)載監測天線(xiàn)的性能要求。