超寬帶圓錐天線的設(shè)計(jì)

龍文峰，李 杜，周 偉，付云起

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073)

錐天線由于具有較好的寬頻帶特性，被廣泛應(yīng)用于VHFUHF波段的天線設(shè)計(jì)。理想無限長的雙錐天線具有輸入阻抗、方向圖均與頻率無關(guān)的特性，而實(shí)際中有限長的雙錐天線，由于終端反射而不具有這種與頻率無關(guān)的特性，其寬頻帶特性會受到一定影響。為了拓寬天線的帶寬，人們對典型雙錐天線做了很多改進(jìn)，包括同軸雙錐天線、盤錐天線、加載雙錐天線、V型天線等，使得天線的阻抗帶寬有很大改善。

為了實(shí)現(xiàn)低剖面共形的超寬帶VHFUHF天線設(shè)計(jì)，人們在單錐天線的基礎(chǔ)之上對其進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了天線性能的提升，取得了進(jìn)展。美國俄亥俄州立大學(xué)電子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Jing Zhao、John L.Volakis等提出的一種新型的IHA(inverted-hat antenna)天線，改善了天線的性能，所設(shè)計(jì)的天線在0.2～2 GHz的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了特性阻抗匹配。

但單錐天線也存在一些局限，例如有限尺寸的單錐天線難以實(shí)現(xiàn)很大的帶寬。某項(xiàng)目要求天線直徑不超過120 mm，高不超過120 mm，覆蓋0.3～3 GHz的頻帶。利用漸變的橢圓曲線代替直線型的錐外形，對多個橢圓線段組成的天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終選定了7橢圓凸起型錐天線。

1 天線設(shè)計(jì)

圖1展示了橢圓線段組成錐天線的幾何結(jié)構(gòu)。天線的外表面輻射波采用的是垂直極化輻射。為了達(dá)到超帶寬，天線的外部輪廓線是由原點(diǎn)開始的許多相似的橢圓線段組合而成，如圖1(b)所示。

組成天線的橢圓的半徑變化趨勢是成指數(shù)螺旋增長的，令橢圓主半徑為Xn，副半徑為Yn，如圖1(b)所示。主半徑Xn的變化趨勢為φ=0開始的螺旋增長，如圖1(a)所示，即:

其中:Xn為螺旋線在 x軸上的長度;φn=π，3π，5π，7π，…;a是螺旋線增長速率。假設(shè)橢圓錐天線的外部結(jié)構(gòu)由N個橢圓組成，那么

由于構(gòu)成天線的相鄰橢圓半徑是成比例增長的，且比值為常數(shù)，因此

從圖1(b)可以看出，如果天線的寬為ω，取最大橢圓的主半徑XN為ω/2來計(jì)算天線的其他橢圓的半徑，即

因而

因此將式(5)帶入式(2)就可以求出其他橢圓的半徑 Xn，n=1，2，…，N －1。

圖1 橢圓線段組成錐天線的幾何結(jié)構(gòu)

由于每個橢圓的主半徑Xn和副半徑Y(jié)n成比例，對比值作了規(guī)定:

其中γi的值為:

M是一個控制天線凸起和凹入比率的參量，在設(shè)計(jì)中取M=10來計(jì)算。注意到最大橢圓的主半徑和副半徑為ω/2和h，所有橢圓主半徑Xn和副半徑Y(jié)n的和值分別為ω/2和h，所以必須降低每個橢圓半徑的值才能滿足天線的高和寬，那么修訂后的橢圓主半徑xn和副半徑y(tǒng)n為:

其中:

對直線型橢圓天線fx和fy的值也是同樣。圖1(b)為3個橢圓組成的直線型橢圓錐天線，圖1(c)為3D圖形。

2 天線性能

2.1 不同數(shù)目橢圓組成錐天線的阻抗和增益性能

考察由3個橢圓、7個橢圓、11個橢圓組成的錐天線，如圖2所示，并設(shè)定所有橢圓錐天線的直徑w=100 mm，高h(yuǎn)=120 mm。用HFSS仿真軟件對天線在0.05～3 GHz頻率范圍進(jìn)行了仿真。仿真采用50 Ω的同軸線進(jìn)行饋電，接地面為無限大，邊界條件為吸收邊界。通過圖3(b)和圖3(c)可以看到7個和11個橢圓的組合符合作為天線的要求，天線阻抗的實(shí)部接近50 Ω，而虛部接近0 Ω。另外圖3(a)顯示所有天線的實(shí)際增益大于0 dBi。

圖2 不同橢圓組成的天線的外部形狀

圖3 不同橢圓組成的天線的性能

2.2 輪廓線幅度的變化對天線阻抗的影響

由圖2可以看到:構(gòu)成天線的橢圓切線都在一條直線上。但是為了更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，設(shè)計(jì)橢圓的切線為凸起型和凹入型，如圖4(a)、圖5(a)所示。

圖4(b)和圖4(c)給出的是11橢圓錐不同幅度天線的阻抗實(shí)部和虛部。通過圖4(b)和圖4(c)的仿真結(jié)果可以看出:對于11個橢圓組成不同形式天線的阻抗特性，凹入型最高，直線型其次，凸起型最低，結(jié)果表明凸起型天線的阻抗最接近50 Ω，更好地實(shí)現(xiàn)了天線的阻抗匹配。圖4(d)是天線的實(shí)際增益，圖中顯示凸起型天線的實(shí)際增益都在0 dBi以上，直線型和凹入型天線在部分頻段增益在0 dBi以下。

圖4 直徑為100 mm高為120 mm的11橢圓錐天線

圖5 直徑為100 mm高為120 mm的7橢圓錐天線

圖5顯示的是7個橢圓組成的錐天線輪廓線幅度變化對阻抗的影響。圖5(b)為阻抗實(shí)部，圖5(c)為阻抗虛部，圖5(d)為實(shí)際增益。

通過圖5(b)和圖(c)可以看出凸起型天線的阻抗更接近于實(shí)際阻抗。圖5(d)為天線的實(shí)際增益，可以看出凸起型天線的實(shí)際增益都在0 dBi以上，直線型天線部分頻段實(shí)際增益在0 dBi以下，凹入型天線的實(shí)際增益都在0 dBi以下。通過圖5可以看到，7橢圓錐凸起型天線覆蓋了0.3～3 GHz的頻段。

經(jīng)過上面的分析，得到7橢圓錐天線直徑為100 mm，高為120 mm，阻抗匹配較好，頻帶寬度達(dá)到了10∶1，性能良好，達(dá)到了項(xiàng)目所提出的要求。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種利用漸變的橢圓曲線代替直線型的錐外形來提高天線性能的方法。通過分析不同數(shù)目橢圓組成錐天線對阻抗的影響及輪廓線幅度的變化對天線的影響，得到了這種天線的設(shè)計(jì)規(guī)律。根據(jù)項(xiàng)目的要求，最終選擇7橢圓錐凸天線結(jié)構(gòu)，后續(xù)天線的進(jìn)一步優(yōu)化和匹配等工作正在進(jìn)行。

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