超寬帶盤錐天線的分析與設(shè)計(jì)

高凌潔，張雄偉

（1.寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 寶雞　721013；2.陜西烽火通信集團(tuán)有限公司 陜西 寶雞　721006）

超寬帶盤錐天線的分析與設(shè)計(jì)

高凌潔1，張雄偉2

（1.寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 寶雞721013；2.陜西烽火通信集團(tuán)有限公司 陜西 寶雞721006）

為了設(shè)計(jì)出性價比更高的盤錐天線，從天線的設(shè)計(jì)原理及性能，分析了各種參數(shù)對天線性能的影響，通過改變天線的結(jié)構(gòu)從而有效提升了天線的帶寬。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對所設(shè)計(jì)的盤錐天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的結(jié)果表明利用仿真軟件設(shè)計(jì)的該盤錐天線有效的覆蓋了100～400 MHz頻帶，在該頻帶范圍內(nèi)該盤錐天線的駐波比小于2.5。充分體現(xiàn)了該仿真軟件的可靠性和高效性。

盤錐天線；超寬帶；駐波比；Ansoft HFSS

由于超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）通信技術(shù)具有高數(shù)據(jù)率、功耗低、復(fù)雜度低等特點(diǎn)，因此超寬帶技術(shù)成為目前被廣泛研究的一種新興的無線通信技術(shù)。超寬帶天線是UWB系統(tǒng)的重要組成部分，它與UWB技術(shù)共同發(fā)展。在已有的UWB天線中，例如盤錐天線、對數(shù)周期天線、雙錐天線等，盤錐天線由于其特有的水平全向輻射和相對較小的尺寸以及較輕的重量，被廣泛用于UWB系統(tǒng)。

盤錐天線是一種具有超寬頻帶 （頻帶寬度可達(dá)8倍頻，工作于100～3 000 MHz頻段）、線極化特性的全向天線。這種天線是由一個導(dǎo)體圓盤和一個導(dǎo)體圓錐構(gòu)成的，盤錐天線可以看成是雙錐天線的變形，盤錐天線以其結(jié)構(gòu)簡單以及良好的寬頻帶特性，在VHF和UHF頻段內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

1　理論分析

1.1輻射特性分析

盤錐天線是Kandoian在1945年提出來的，盤錐天線可以看成是上錐體半張角θ=90°，下錐體半張角為θ的雙錐天線。天線的圓盤與50 Ω同軸射頻電纜的內(nèi)導(dǎo)體相連接，圓錐的錐頂與同軸線外導(dǎo)體相連接［1］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　盤錐天線結(jié)構(gòu)圖

圖中，d為圓盤直徑，Dmin為錐體小端直徑，Dmax為錐體大端直徑，L為錐體斜高，θ為半錐角，δ為錐體與圓盤的距離。

盤錐天線的方向圖特性可以用以下公式來計(jì)算：

其中：Tv（θ）是v階第一類和第二類勒讓德函數(shù)的一個線性組合；Zv（k0r）則是v階廣義的球貝塞爾函數(shù)；k0=ω（ε0μ0）1/2是自由空間波數(shù)。

考慮到球貝塞爾函數(shù)和勒讓德函數(shù)的特性，錐體外部內(nèi)域和外域中的位函數(shù)應(yīng)分別取為：

其中：Tv（θ）=CvPv（θ）+DvPv（-cosθ）；Jv（k0r）=k0rjv（k0r）；jv（k0r）是第一類v階球貝塞爾函數(shù)，它代表在r方向的一個駐波；Hn（k0r）=k0rhn（k0r）；hn（k0r）是第二類 n階球漢克爾函數(shù)，它代表沿r方向的外向行波；Pn（cosθ）是勒讓德方程的線性解；式中n是非零的整數(shù)，v是待定常數(shù)，Bn、Cv、Dv是待定的展開系數(shù)。

代入邊界條件，可解得雙錐天線的方向圖函數(shù)為：

根據(jù)上述分析我們可以得到以下結(jié)論：盤錐天線由于其對稱結(jié)構(gòu)，因而在H面的方向圖是一個圓［2］。

1.2阻抗特性分析

盤錐天線優(yōu)良的阻抗寬頻帶特性主要得益于它特殊的幾何結(jié)構(gòu)，盤錐天線可以看成是上錐體半張角θ=90°，下錐體半張角為θ的雙錐天線。它具有很低的阻抗特性，它的特性阻抗可以用下列公式計(jì)算：

盤錐天線的輸入阻抗與天線的幾何尺寸有關(guān)，為了與50 Ω同軸射頻電纜進(jìn)行良好匹配，天線的幾何尺寸按以下規(guī)律選擇：

1）錐體的斜高 L=kλmin/4，其中比例系數(shù) k在 1.1～1.3范圍內(nèi)取值，λmin為下限頻率對應(yīng)的波長。圓盤的直徑d=0.7Dmax；

2）半錐角θ與斜高L有關(guān)，通常2θ在25°～90°范圍內(nèi)選擇。當(dāng)2θ較小時L應(yīng)取較大一些；當(dāng)2θ在60°～90°范圍內(nèi)選擇時L應(yīng)取較小一些。

3）圓盤與圓錐間的距離δ幾乎與L和θ無關(guān)，δ值的大小對饋電處的分布電容有著巨大的影響，進(jìn)而影響到天線輸入端的匹配效果。大量的實(shí)驗(yàn)表明在不同的錐角條件下，當(dāng)饋線為50 Ω同軸射頻電纜時，取δ=0.3Dmin，d=0.7Dmax時天線的駐波比最小［3］。

2　電磁仿真

2.1理論參數(shù)計(jì)算

本文對一盤錐天線實(shí)例展開分析，該天線的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

a）頻率范圍：100～400 MHz；

b）功率容量：200 W；

c）電壓駐波比：≤2.5；

d）平均增益：≥1.5 dBi

e）標(biāo)稱阻抗：50 Ω；

f）重量：≤2.5 kg（不含配件）；

g）接口型式：N型；

為了便于攜帶及架設(shè)，天線的盤和錐可以設(shè)計(jì)為輻射狀的金屬棒或金屬帶。根據(jù)上文的阻抗特性分析，可以計(jì)算出天線的各個尺寸。

Z0=50=60ln（ctg（θ/2）），經(jīng)計(jì)算θ≈45°；

L=kλmin/4，k取1.2，λmin=光速/下限頻率=3 m，經(jīng)計(jì)算L=0.9 m；

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)Dmin≤0.1L，因?yàn)槠涑叽绱笮∮绊懙礁叨斯ぷ黝l率的阻抗匹配效果，因此將Dmin暫定為0.08 m。

利用三角函數(shù)可計(jì)算得知：

2.2仿真優(yōu)化

根據(jù)理論計(jì)算出的天線尺寸，在ANSOFT HFSS軟件中建立模型并運(yùn)算，隨后對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，天線在仿真過程中需注意以下幾個方面［4］：

1）自適應(yīng)網(wǎng)格剖分頻率的選擇

通常，自適應(yīng)網(wǎng)格剖分頻率設(shè)置的越高，網(wǎng)格剖分就越細(xì)，計(jì)算結(jié)果相應(yīng)地就更準(zhǔn)確，對于超寬帶問題，應(yīng)該選擇最高頻率作為自適應(yīng)網(wǎng)格剖分頻率；

2）掃頻設(shè)置

作為經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，當(dāng)Fmax/Fmin＜4時，一般選擇快速掃頻（Fast Frequency Sweep）；對于Fmax/Fmin≥4的寬帶問題，掃頻類型一般選擇插值掃頻（Interpolating Frequency Sweep）；

3）優(yōu)化設(shè)計(jì)

在創(chuàng)建初始結(jié)構(gòu)模型時應(yīng)盡量接近真實(shí)值，優(yōu)化設(shè)計(jì)時要添加優(yōu)化變量，最后進(jìn)行靈敏度分析和統(tǒng)計(jì)分析。

仿真結(jié)果見圖2、圖3、圖4。

3　實(shí)體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的盤錐天線是應(yīng)用在100～400 MHz的寬頻帶天線，為了有效減輕天線的重量并使天線易于加工和裝拆，在天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了大幅度的改進(jìn)，具體如下［5］：

3.1天線圓盤及圓錐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的圓盤和圓錐輻射體是由金屬板材或帶材加工而成，雖然外形尺寸符合要求，但是攜帶、安裝、拆卸極其不方便。理論中圓盤和圓錐可近似認(rèn)為是由若干根線條緊密排布組成，在HFSS仿真過程中可用不同數(shù)量的線條進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，直至其線條數(shù)量最少又可滿足圓面或錐面的輻射效果，經(jīng)驗(yàn)證12根或更多線條組成的圓面或錐面完全能滿足輻射要求。因此，采用12根φ8×450 mm的優(yōu)質(zhì)鋁合金管繞圓周均布構(gòu)成天線的圓盤，12根φ8×900 mm的優(yōu)質(zhì)鋁合金管繞圓周均布構(gòu)成天線錐面。

3.2饋源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

饋電部分采用優(yōu)質(zhì)銅合金加工而成，其余金屬材料均采用鋁合金加工而成，非金屬部分采用環(huán)氧玻璃布棒加工而成。鋁管組成的圓錐及圓盤與饋源采用螺紋連接方式，便于用戶拆裝。輸出端口采用N型連接器，它能與50 Ω饋電系統(tǒng)良好匹配。

圖2　100 MHz頻率E面、H面方向圖

圖3　250 MHz頻率E面、H面方向圖

圖4　400 MHz頻率E面、H面方向圖

3.3工藝性設(shè)計(jì)

為了提高天線的耐環(huán)境性，對金屬部分進(jìn)行各種氧化處理，對非金屬部分采用膠木化處理，天線整個外表面噴涂了防銹漆，并進(jìn)行了防水處理。以上工藝性的設(shè)計(jì)可防止在露天環(huán)境下對自然環(huán)境對天線的腐蝕，從而提高天線的使用壽命，天線具體外形圖見圖5。

圖5　盤錐天線外形圖

4　實(shí)體測試結(jié)果

4.1駐波比測試

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對盤錐天線進(jìn)行駐波比測試，在100～400 MHz范圍內(nèi)VSWR≤2.5。

4.2增益測試

采用比較法測量天線增益，用某型通用高速數(shù)據(jù)電臺天線作為接收天線，用頻譜儀接收射頻信號，用信號源發(fā)射射頻信號。第一次用待測天線作為發(fā)射天線；第二次用標(biāo)準(zhǔn)拉桿天線，分別測試一次場強(qiáng)，并記錄數(shù)據(jù)，測試完畢后計(jì)算場強(qiáng)平均值。

1）設(shè)備連接方框圖如圖6所示。

圖6　天線增益測量方框圖

2）第一次用待測天線作為發(fā)射天線，第二次用標(biāo)準(zhǔn)拉桿天線作為發(fā)射天線，在100 MHz、250 MHz、400 MHz頻率點(diǎn)上測試一次場強(qiáng)，并記錄數(shù)據(jù)。第一次記為G1，第二次記為G2。

3）計(jì)算場強(qiáng)平均值分別記為：G1平均和G2平均。

被測天線增益可按以下公式計(jì)算式中：G—待測天線增益，單位：dBi；經(jīng)計(jì)算增益值見表1。

表1　增益表

5　結(jié)　論

理論計(jì)算及仿真結(jié)果與實(shí)體的測試結(jié)果基本一致，證明了理論分析及仿真驗(yàn)證的正確性，證明了天線電性能的合理性。但在實(shí)際應(yīng)用中還需考慮產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，應(yīng)充分考慮產(chǎn)品材料的選擇及表面涂覆處理。在后期的工作中仍需致力于天線頻帶的拓寬及輻射增益的提高［6］。

［1］Jin Au Kong.電磁波理論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［2］王元坤，李玉權(quán).線天線的寬頻帶技術(shù)［M］.西安：電子科技大學(xué)出版社，1996.

［3］林昌祿.天線工程手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［4］劉振，石雄.基于HFSS的雙頻微帶天線仿真及設(shè)計(jì)［J］.武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2013（3）：36-39.

［5］周喜全，惠鵬飛，趙巖，等.一種橢圓單極子超寬帶天線仿真設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（13）：78-79.

［6］杜瑞.應(yīng)用于UWB系統(tǒng)的圓錐天線的分析與設(shè)計(jì)［D］.南京：東南大學(xué)，2005.

Analysis and design of ultra-wide band discone antenna

GAO Ling-jie1，ZHANG Xiong-wei2
（1.Baoji Vocational Technology College，Baoji 721013，China；2.Shanxi Communication Group Co.Ltd.，Baoji 721006，China）

In order to design a discone antenna more cost-effective，F(xiàn)rom the design principle and performance of antenna，Analysis of the influence of various parameters on antenna performance，By changing the structure of the antenna so as to effectively enhance the bandwidth of the antenna.On the basis of theoretical calculation，Discone antenna design was optimized using the electromagnetic simulation software ANSOFT HFSS，The optimization results show that the discone antenna design usingsimulation software of the effective coverage of 100 MHz～400 MHz band，In the frequency range of the discone antenna is less than 2.5 in Bobbi.A good identity is obtained which demonstrates the reliability and high efficiency of the simulation software.

discone antenna；ultra-wide band；ambassador bobbi；Ansoft HFSS

TP319

A

1674-6236（2016）06-0015-04

2015-05-06稿件編號：201505047

高凌潔（1978—），女，陜西寶雞人，碩士，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。