具有陷波特性的無人船雙頻段盤錐天線設計*

李雪健，李 萍，何楊炯，姜 源，王懷強

（工程大學信息工程系，西安710086）

具有陷波特性的無人船雙頻段盤錐天線設計*

李雪健，李 萍*，何楊炯，姜 源，王懷強

（工程大學信息工程系，西安710086）

設計了一款適用于應急救援無人船平臺的雙頻段盤錐天線。對傳統(tǒng)盤錐天線進行了傘骨化改造并加載了匹配小銅片，實現(xiàn)了天線陷波并減小了風阻。利用HFSS軟件對天線進行仿真并實際制作和測量了天線。測量結(jié)果表明：天線在應急救援的350 MHz～370 MHz和850 MHz～870 MHz頻段上駐波比均小于1.4，輻射方向均為水平全向，增益最高分別達到4.12 dB和6.2 dB。在易產(chǎn)生干擾的370 MHz和850 MHz頻段上，駐波基本高于1.5，實現(xiàn)了陷波。所設計的天線滿足應急救援無人船平臺對天線的要求。

盤錐天線；雙頻段；陷波設計；無人船平臺

隨著科學技術的飛速發(fā)展，無人船作為一種新興的水上載體平臺正逐步應用在環(huán)保監(jiān)測、水上救援，水上偵察等領域，為無人船設計一款工作于應急救援頻段的天線具有較好的應用前景［1-2］。目前國內(nèi)水上救援通信主要使用UHF中Δf1=350 MHz～370 MHz和Δf2=850 MHz～870 MHz這兩個頻段。文獻［1］為無人船設計了一款工作于285 MHz～950 MHz頻段內(nèi)的超寬帶盤錐天線，如圖1所示。

圖1 盤錐天線

雖然超寬帶天線覆蓋了Δf1、Δf2兩個頻段，但其寬頻帶特性同時也會接收兩頻段間無用頻段的電磁波信號，增加了后端電臺的濾波壓力。因此，抑制天線在Δf3=370 MHz～850 MHz頻段上的性能，實現(xiàn)天線陷波具有較高的研究意義。本文對傳統(tǒng)盤錐天線進行了傘骨化改造，實現(xiàn)了天線的陷波。設計出適合無人船水上救援的雙頻段天線。

1 天線設計理論

1.1 盤錐天線

1943年，Armig G Kandoian首次提出盤錐天線，即用圓盤將雙錐天線其中一個錐體替代，在體積減小一半的情況下達到與雙錐天線相似的天線性能［3］。

1.1.1 盤錐天線特性阻抗

由于盤錐天線是雙錐天線的特殊形式，廣義上屬于雙錐天線的范疇。盤錐天線擁有非常良好的阻抗特性，其阻抗特性可以近似表示為［4］：

式中，θ0為下錐體的半張角。盤錐天線的圓盤和圓錐本質(zhì)上是兩個單極子天線。

1.1.2 輻射方向特性

盤錐天線是軸對稱結(jié)構，所以該天線的輻射方向圖的H面是近似于圓形。在低頻段時，天線的輻射方向特性近似一個單極子天線的輻射方向特性。在高頻段時，由于有圓盤反射，使得最強輻射方向偏離水平方向，天線的水平方向系數(shù)下降明顯［5］。

1.2 超寬帶天線陷波技術

陷波技術是指為了抑制系統(tǒng)間的干擾，使UWB天線在無用頻段內(nèi)均呈現(xiàn)較大的反射系數(shù)，即具有陷波功能。通常要求，超寬帶天線在陷波處S11＞-10 dB，駐波比VSWR＞2，增益非常小等等。

1.2.1 天線開槽陷波

在天線輻射體、地面或者饋線上有目的地開具有一定形狀的槽，從而使天線輻射時的電流分布發(fā)生變化，實現(xiàn)超寬帶天線通信中對無用或者干擾頻點的屏蔽作用的方法稱為天線開槽陷波法［6，7］。使開槽的尺寸長度等于抑制頻率的1/4或1/2波長，成為1/4波長的濾波器或者1/2波長濾波器，從而實現(xiàn)抑制相應的中心頻率兩邊的頻段，從而實現(xiàn)陷波特性。

1.2.2 加載陷波

加載陷波是在超寬帶天線輻射單元或在天線的饋線上加載各種各樣的匹配貼片或在天線的適當位置加載適當?shù)慕橘|(zhì)來改變天線輻射單元上電流的分布，從而使超寬帶具有陷波特性［8］。并且可以通過調(diào)節(jié)加載貼片或介質(zhì)的大小來實現(xiàn)在超寬帶通信系統(tǒng)中所需要抑制的窄帶信號。

2 無人船雙頻段天線仿真設計

2.1 傘骨化開槽陷波

根據(jù)開槽陷波法，對天線的上圓盤和下錐體進行開槽。將結(jié)構強度更大的金屬桿代替開槽后圓盤和圓錐上剩余的金屬片。

2.2 加載陷波匹配金屬片

在圓盤與上錐體之間的饋電點附近加載匹配小銅片，改變天線的電流分布，起到陷波的作用。天線最終結(jié)構如圖2所示。

圖2 天線結(jié)構示意圖

對天線的幾何結(jié)構參數(shù)的分析，分別得到?jīng)Q定天線性能的主要結(jié)構參數(shù)。利用高頻仿真軟件HFSS對變量進行優(yōu)化仿真，得出天線最佳幾何結(jié)構參數(shù)。如表1所示。

表1 優(yōu)化后的天線主要幾何結(jié)構參數(shù)

圖3為模型整體直觀圖。通過仿真優(yōu)化，得到天線最佳性能，其駐波比如圖4所示。

由圖4可知，無論是在Δf1或Δf2頻段內(nèi)，天線均滿足VSWR≤1.4的條件，且抑制了Δf3頻段的駐波比，使得天線整體出現(xiàn)了陷波的效果。

350 MHz、850 MHz兩個頻點處的三維增益圖如圖5所示。

圖3 無人船雙頻段天線整體直觀圖

圖4 無人船雙頻段天線駐波比

圖5 天線350 MHz和850 MHz三維增益圖

由天線的波瓣圖可以看出，天線在兩個頻點處在天線在水平面均為全向輻射。在350 MHz和850 MHz可以能達到4.12 dB和6.2 dB，滿足通信天線增益大于3dB的需求。

3 無人船雙頻天線的制作與測量

根據(jù)仿真設計模型對天線進行實物制作和測量，結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 天線實物及測量

圖7 天線駐波實測結(jié)果

圖8 天線在850 MHz的輻射方向圖

由圖7可以看出，天線在340 MHz～380 MHz頻段上的駐波比為1.37～1.38，在840 MHz～880 MHz頻段上駐波比為1.35～1.37，370 MHz～850 MHz頻段上，駐波比高于1.5的帶寬高達464 MHz。與圖4仿真結(jié)果對比，天線實物測量的駐波比在f1和f2頻段上比仿真結(jié)果的駐波比高約0.029～0.258，駐波曲線拉升幅度比仿真曲線小，實測性能與仿真結(jié)果基本一致。

從圖8可知，天線的實測方向圖跟仿真的方向圖形狀基本一致，最大輻射方向位于120°和225°附近，H面圖整體保持全向性，但是整體偏離圓心。天線實物的實際方向圖與仿真方向圖大致吻合。

4 結(jié)論

本文設計了一款帶陷波的無人船雙頻段天線，為實現(xiàn)天線陷波，對傳統(tǒng)盤錐天線進行傘骨化改造并加載了匹配小銅片。實際加工并測量了天線。結(jié)果表明，在應急救援通信的f1、f2兩個頻段上，天線駐波均小于1.4，最高增益分別為4.12 dB和6.2 dB。在需要抑制駐波性能的370～850 MHz頻段上，駐波比基本高于1.5，實現(xiàn)了天線陷波設計。所設計天線基本能滿足無人船平臺的使用要求。

［1］王懷強，李萍，李雪健.基于無人船平臺的超寬帶UHF盤錐天線設計［J］.低溫物理學報，2016（1）：77-80.

［2］王懷強.武警抗洪搶險無人船超短波天線設計［D］.西安：武警工程大學，2015.

［3］Kandoian A G.Broad Band Antenna：2368663［P］.1945-02-07.

［4］張鑫.UWB錐形天線及其陣列的研究［D］.大連：大連海事大學，2013.

［5］龍文峰.超寬帶變形錐天線的分析與設計［D］.長沙：國防科技大學，2013.

［6］Evangelos S A，Anastopoulosetal A Z.Circular and Elliptical CPW-Fed Slot and Microstrip-Fed Antennas for Ultra Wideband Applicationst［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagate Lett，2006，31（5）：294-297.

［7］Yao F W，Zhang S S，Liang X.Wideband Slot Antennas with a Novel Microstrip Feed［J］.IEEE Microwave Opt Tech Lett，2005，46（3）：275-278.

［8］譚瑞，龔書.雙陷波特性的單極子超寬帶天線［J］.電子科技，2001（10）：58-61.

［9］李校林，魏凡童，張大楊.新型單饋共口徑三頻三極化微帶天線的設計［J］.電子器件，2015，38（2）：250-253.

［10］朱永忠，李萍.一種新型超寬帶平面單極子天線［J］.電子器件，2007，30（3）：804-807.

李雪?。?991-），廣東省梅縣人，男，漢族，武警工程大學信息工程系，碩士研究生，主要研究方向為微波技術與天線，476551810@qq.com；

李 萍（1957-），遼寧營口人，女，漢族，武警工程大學信息工程系，教授，博士生導師，主要研究方向為天線電磁場理論與微波技術，1543429060@qq.com。

Design of Unmanned Ship Dual-Band Discone Antenna with Band-Notched*

LI Xuejian，LI Ping*，HE Yangjiong，JIANG Yuan，WANG Huaiqiang
（Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi’an 710086，China）

A dual-band discone antenna was designed for emergency rescue ship unmanned platform.It’s a um?brella ossification transformation of the traditional discone antenna by using matched small coppers which realizes the antenna notch and reduces air resistance.The result indicates that while the antenna frequency band is in emer?gency rescue 350 MHz～370 MHz and 850 MHz～870 MHz，both their VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）are less than 1.4，and the omnidirectional radiations are in the horizontal direrction with the maximum gain 4.12 dB and 6.2 dB.The VSWR are almost higher than 1.5 and achieves the notch while in the easily interfering 370 MHz～850 MHz band.So the antenna designed meets the requirements of the emergency rescue unmanned boat platform.

discone antenna；dual-band；band-notched design；unmanned ship platform

TN826

A

1005-9490（2016）06-1309-04

5270

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.006

項目來源：武警工程大學立項項目（WXK2015-10）

2016-02-18 修改日期：2016-04-24