小型化超寬帶盤錐天線設計

邱真鈺，陳星

（四川大學電子信息學院，成都 610064）

0 引言

現代社會已經全面進入信息化時代，通信系統需要傳輸的信息量越來越大，對無線通訊設備也有了更高的要求。超寬帶（ultra wide band，UWB）通信有著高速率傳輸、高頻譜利用率、高保密性、強定位能力、系統簡單、成本低［1］、多徑分辨能力強等諸多優勢［2］，成為現代通信的發展趨勢。

現有研究中的寬帶和超寬帶天線的類型很多，例如TEM 喇叭天線［3］、螺旋天線［4］、Vivaldi天線［5］、雙錐天線［6］和盤錐天線［7］等，但僅有非常有限類型的天線能夠實現10倍頻以上的帶寬，盤錐天線是其中之一。

盤錐天線主要由饋電端口、錐體和圓盤三部分組成，結構簡單，具有超寬帶特性，由于其結構軸對稱，還具有良好的水平全向輻射特性。盤錐天線由雙錐天線變形而來，可以看成上錐體半張角為θ=90°，錐體半張角為α的雙錐天線，保持了雙錐天線的良好的寬頻帶和水平全向輻射特性，且尺寸減小一半，也避免了雙錐天線不穩定的缺點［8］。傳統結構的盤錐天線電尺寸大約為四分之一波長，尺寸仍然較大。天線的Q（品質因子）值［9］是與天線的尺寸呈反比關系；天線的尺寸越小，其Q值越大，則其帶寬越有限。所以緊湊結構和超寬帶性能這兩個指標通常是矛盾的。因此，設計能夠同時實現超寬帶、緊湊和簡潔結構特性的盤錐天線具有一定的挑戰性。

本文通過頂部加載，提出了一種新型小型化超寬帶全向盤錐天線。短波頻段對應的波長長度較大，所以需要減小天線的物理尺寸。在錐體頂部加載，選取表面電流較強的邊緣加載圓環結構，使其呈現出漸變結構特性，天線在保持良好寬頻帶特性的同時具有更低的剖面，從而實現天線的小型化。采用鏤空的線柵結構代替圓錐表面［10］，簡化結構的同時，保持原有的超寬帶特性和全向輻射特性。

1 天線設計與結構分析

設計的盤錐天線如圖1 所示，參數如表1 所示。天線主要是由下方的盤錐部分和頂部的圓環加載組成。

圖1 天線結構和尺寸

表1 天線的主要結構參數（單位：m）

將盤體結構和錐體結構分別視為兩個振子，兩個振子結構不同，特性阻抗也存在差異。通過合理的設計，在較寬的頻率范圍內，兩個振子的輸入阻抗互補，天線的輸入阻抗變化緩慢，與同軸線纜阻抗匹配，從而實現了超寬帶特性。在設計過程中，盤錐天線的特性阻抗與錐體傾角角度α 有關，一般可通過優化α 來調節阻抗匹配。盤體尺寸不能過小，否則天線的輻射電抗分量增大的同時輻射電阻減小，影響阻抗匹配。

本文中的盤錐天線將傳統形式中的盤體和錐體兩部分互換，饋電部分采用同軸線纜進行饋電，同軸線纜的內導體與錐體結構連接，外導體與盤體結構連接，選取結構穩定性更好的方盤替換傳統的圓盤。當金屬桿之間的間距遠小于波長時，鏤空的線柵結構可近視為完整的面結構，所以錐體部分采用12 根等間距的金屬桿構成錐體，在性能上和完整的面結構錐體結構等效，結構簡單，降低成本。

頂部加載是盤錐天線小型化的一種有效方式。天線在不同頻率下的電流分布如圖2 所示，在3 MHz 時，即低頻段，電流主要集中在方盤中心、四根短路柱及周圍地區；在15 MHz時，即中頻段，電流主要集中在錐體部分和地面中心部分，在30 MHz時，即高頻段，電流主要集中在錐體部分和地面周圍部分，所以，天線的錐體部分主要影響中高頻，頂部的金屬加載主要影響低頻。頂部加載使天線頂端產生電流，延長了電流的流動路徑，改善了天線在低頻段的阻抗匹配，拓寬了天線的工作頻段。

圖2 不同頻率下的電流分布

是否頂部加載的輸入阻抗變化如圖3 所示，未頂部加載的天線輸入阻抗在低頻段變化劇烈，頂部加載后，在低頻段加載結構與地板之間形成分布電容，實部和虛部部分有了明顯的改善，變化平緩。頂部加載之后出現新的諧振點，降低了低頻截止頻率，有效的改善了天線低頻段的阻抗匹配，驗證了頂部加載的有效性。

圖3 是否頂部加載的輸入阻抗對比

盤錐天線常采用圓盤等面結構作為頂部加載，短波頻段對應的波長較長，頂部加載部分的尺寸也大，在工程實踐制作中也造成了較大的困擾。對于完整面的圓盤加載，電流主要集中在圓盤邊緣部分，越趨近于圓盤中心，電流逐漸減弱。保留電流較強的邊緣部分，鏤空中間電流較小的區域，對此，本文提出了一種新型的頂部加載形式，如圖1 所示，僅由兩個圓環和兩根正交的“十”字架金屬桿組成，結構簡單。圓環結構與地板之間形成分布電容，改善低頻阻抗值。“十”字架金屬桿增加了電流的流動路徑，進一步拓展了低頻帶寬，也起到了支撐的作用。引入了金屬短路柱，等效為在原有電容加載的基礎上引入電感分量，從而在工作頻帶內引入一個新的諧振頻率，改善了低頻阻抗帶寬。

如圖4 所示，在VSWR<2.5 的標準下，未頂部加載的盤錐天線覆蓋6.6～35 MHz，模型高度為10.85 m，即0.24λ；頂部加載之后的盤錐天線覆蓋2.74～35 MHz，模型高度為12.45 m，即0.11λ，有效降低了低端截止頻率，電尺寸減小了一半，實現小型化的目的。本文中采用的頂部加載雖然結構簡單，但是依舊起到了良好的小型化作用。

圖4 是否頂部加載VSWR對比

通過電磁仿真軟件仿真分析了頂部加載和錐體間距h2 對VSWR 的影響，從圖5 可以看出，當h2 < 1.6 m 時，低頻段阻抗失配，VSWR 增大到2.5 以上。當h2 >1.6 m 時，最低工作頻率略微向低頻移動，但是天線整體高度增加，因此綜合考慮，選取h2=1.6 m 作為頂部加載和錐體間距，在滿足低頻段VSWR<2.5 要求的同時減小了天線高度。

圖5 VSWR隨頂部加載和錐體間距的變化曲線

2 天線縮比仿真與加工實測

由于短波天線尺寸較大，其加工周期較長且相關特性的測量都具有一定的難度和較長的周期，因此為了更快的對該天線方案的可行性進行驗證，對天線進行縮比加工。電尺寸一致時，縮比模型的輻射方向圖、天線輸入阻抗等都與原本尺寸下的方向圖、輸入阻抗非常接近，遂將天線模型物理尺寸縮小200倍進行加工。實物圖如圖6所示，縮比后的天線物理尺寸只有17 cm×17 cm×6.7 cm（0.27λ×0.27λ×0.1λ），尺寸較小，方便對其相關性能進行測量，以此來驗證該天線方案的可行性。

圖6 天線實物

使用矢量網絡分析儀N5230A 測試了天線的VSWR 曲線，如圖7 所示，可以看到VSWR 測試曲線和仿真曲線基本吻合，實測VSWR<2.5 阻抗帶寬覆蓋0.47～6.5 GHz，有效工作頻段還可以繼續向高頻延伸，工作帶寬超過13倍頻，具有良好的超寬帶特性。

圖7 VSWR的仿真與實測對比

使用微波暗室測試了天線E 面、H 面方向圖以及增益。圖8 為天線在不同頻率下E 面歸一化方向圖的仿真和實測結果，方向圖大致吻合。在低頻時，方盤的電尺寸小，方向圖與偶極子類似，隨著頻率增加，方盤電尺寸也隨之增加，方盤對天線產生不可忽略的影響，主輻射方向向上半平面傾斜。圖9 為天線H 面歸一化方向圖，由于盤錐天線是對稱結構，H面方向圖近似于圓形，實測不圓度為±1.8 dB，具有良好的全向輻射特性。但是由于頂部圓環是手工繞制而成，有一定的誤差，E 面和H 面方向圖也因此存在一些偏差，實測不圓度比仿真值大。總體而言，天線還是具有良好的水平全向輻射特性。圖10為天線的增益曲線，在工作頻段內，天線的測試增益為1.9～7.8 dBi，增益最高可達到7.8 dBi。

圖8 不同頻率下的E面歸一化方向圖仿真與實測對比

圖8 不同頻率下的E面歸一化方向圖仿真與實測對比（續）

圖9 H面歸一化方向圖仿真與實測對比

圖10 天線增益曲線

3 結語

本文提出了一種小型化超寬帶盤錐短波天線，對傳統盤錐天線進行小型化設計，利用金屬桿代替盤錐天線錐體部分的金屬面結構，在保持原有特性的同時，簡化了天線結構。采取頂部加載的形式，在電流較強的邊緣部分加載了兩個對稱的圓環結構，正交的“十”字架金屬桿既增加了電流的流動路徑，又起到了支撐的作用，降低了天線的剖面，實現了小型化。通過縮比測試驗證了該天線結構可行性，天線的VSWR<2.5 阻抗帶寬超過13倍頻，具有超寬帶特性，在工作頻帶內增益最高可達7.8 dBi，采用頂部加載減小了天線尺寸，結構簡單，適用于短波波段。