超寬帶天線的設計

張金橋

（作者單位：天全縣圖書館）

自1895年馬可尼發明無線電報以來，出現了許多電磁波工程系統，其中包括無線電工程系統。無線電通信是利用自由空間傳播的電磁波來傳遞信息。電磁波空間傳播的方式主要有三種：一是靠近地面傳播的地面波，其頻率一般＜3 MHz；二是在空間兩點之間直線傳播的空間波，其頻率一般在3～30 MHz之間；三是距離地面100 km外電離層回來的天波，其頻率一般在30 MHz以上[1]。微波是指頻率范圍為300 MHz～300 GHz的電磁波，波長在1 mm～1 m。無線電經過100多年的發展，從電視廣播、移動通信，到雷達導航、氣象定位，再到軍事領域中的制導武器、電子對抗等領域，取得了豐碩的成果。

在1898年，英國洛奇制成了最早具有寬帶特性的雙錐天線，其輸入阻抗具有寬頻帶特性。因為其頻帶受有限尺寸所導致的終端反射影響，出現了卡特改進型單錐天線和雙錐天線，坎多伊恩研制的盤錐天線，謝昆諾夫球形天線及布里淵的全向和定向同軸喇叭天線[2]。

為了滿足超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術要求，通過天線輻射來實現超寬帶，讓其發射脈沖波形在不同頻率相位中心的變化保真，相繼出現了超寬帶平板單極天線、超寬帶印刷單極天線和超寬帶印刷縫隙天線三類新型的超寬帶平面天線。

近年來，隨著航天事業的發展，超寬帶平面天線的研究與應用越來越被人重視。為了適應小型集成化的需求，對天線的要求越來越高，特別隨著小尺寸、超寬帶、高性能的天線不斷出現。在電子信息戰中，UWB天線是電子對抗設備的關鍵部件，在UWB通信中實際使用的頻譜范圍為3.1～10.6 GHz，其中UWB系統的中心頻率＞2.5 GHz的，需要擁有≥10 dB的500 MHz帶寬，其比帶寬為3.42:1。

天線的主要功能有：（1）能量轉換；（2）定向輻射和接收電磁波。

超寬帶天線優點：

（1）超寬帶天線與傳統的通信系統相比，結構更加簡單；

（2）超寬帶天線具有較高的傳輸速率，可達500 Mbit/s；

（3）超寬帶天線的功耗較低；

（4）超寬帶天線具有較強的抗干擾能力。

本文主要分析無限雙錐單極天線理論及盤錐天線，并設計一個工作頻率為1～3 GHz、駐波比≤2的輻射天線，并把設計盤錐天線作為實驗目的。

1 雙錐天線的理論分析

1.1 無限平面雙錐天線理論分析

如圖1所示，當激勵電壓V在錐尖饋電點上時，將會在導體表面沿徑向方向產生電流I。當電流流動產生環向磁場Hφ時，假設雙錐天線的傳輸在電磁波傳播的方向上無電場分量和磁場分量[3]。

圖1 無限長雙錐天線

于是由式（9）和（11）得到在任何r點的特性阻抗為：

由式（12）可知：Z0與r無關，因此也就是輸入阻抗，即無限長雙錐天線的輸入阻抗為：

根據計算可見，當天線在附近時能同時與同軸線達到良好的匹配效果。

1.2 雙錐天線

由于不可能做出無限大的平面天線，因此必須對無限大的雙錐天線進行改進。如圖2所示，為改進型天線——有限平面雙錐天線。該天線由兩個上下對稱的錐體組成，在兩個錐體之間加一個電源，錐體的高為h、頂角為2θ，雙錐天線具有很寬的帶寬。錐體的高影響天線的帶寬，錐體的頂角會影響電場場強方向，即會影響雙錐天線的E面圖[3]。

圖2 有限平面雙錐天線

（其中μ為真空中的光速，為3×108m/s）

2 盤錐天線

2.1 盤錐天線的結構

由于雙錐天線的結構是立體結構，并且制造工序等較為復雜，所以本文采取盤錐天線作為超寬帶天線的設計方案。盤錐天線可以認為是由無限長的雙錐天線演變成有限長的雙錐天線，再演變成上半個錐體由金屬圓盤代替，下半個圓錐內換用同軸線饋電，如圖3所示。既然盤錐天線可以看成是由雙錐天線演變而來，那么盤錐天線的方向圖H面也應該為圓形，并且在水平面上是全向的。E面為垂直平面方向圖。

圖3 盤錐天線的剖面圖

盤錐天線可用于工作在甚高頻（Very High Frequency，VHF）和特高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段，作為水平面全向垂直極化的天線，其在5:1的頻譜范圍內保持與50 Ω通過饋線上的電壓駐波比≤1.5[5]。該天線由一個直徑為D的圓盤、頂角為2θ和斜邊長為L的圓錐構成。盤錐天線由錐體內的同軸線饋電，同軸線的內芯接在上面的圓盤中心點，外芯連接在間隙處與圓錐的頂部。圓盤直徑D的大小影響著盤錐天線的方向圖，若直徑D過大，相當于在錐頂上加了一個大金屬板，會將大部分電磁波反射回去，而高于水平方向處的電磁場強度將會減小；若D太小，則會破壞天線的阻抗寬帶特性。在Cmax固定的情況下，天線的帶寬與錐頂Cmin尺寸大小成反比。

2.2 天線的尺寸設計

根據設計要求，需要設計一個工作頻率為1～3 GHz、駐波比＜2的超寬帶天線。根據天線的最高、最低工作頻率可以確定錐體Cmin、Cmax的大小。盤錐天線的最佳設計尺寸通過試驗得出為S=0.3Cmin，D=0.7Cmax，L=22Cmin，θ=30°；在此尺寸下，若允許電壓駐波比＜2，則比帶寬可達9:1[5]。

2.3 同軸線的選取

本設計中選取50 Ω的同軸線，根據設計天線Cmin=0.1 m，同軸線外導體的內徑應＜Cmin，根據表1可知，應選取型號為50—35的同軸線。

表1 不同型號同軸線的參數表

3 結語

本文首先介紹超寬帶天線的歷史、現狀及研究意義，其次分析盤錐天線及其尺寸計算公式，再次對無限雙錐天線進行理論分析，最后引出有限平面雙錐天線，通過對有限平面雙錐天線進行改進得到了盤錐形結構天線，該天線具有良好的阻抗特性，可以滿足設計要求，且該天線結構簡單、制造成本低，具有較大的實用價值。