超宽带盘锥天线的设计
山团彪;雷振亚;谢拥军;邢连发;李平
【摘 要】介绍了盘锥天线的性能、设计原理,分析了各个参数对天线性能的影响.通过改变天线结构,即在圆盘和下锥体之间引入一个上锥体,将盘锥天线和双锥天线结合起来,既保持了盘锥天线的特性,又减少了圆盘和下锥体的分布电容,从而有效地增加了其带宽.在理论计算的基础上利用ANSOFT HFSS软件对设计出的新型盘锥天线进行仿真优化,优化的结果表明天线覆盖了从300 MHz到10 GHz的频带,在33:1的带宽范围内驻波比基本小于3,该方法有效地展宽了带宽.
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2011(051)001
【总页数】5页(P93-97)
【关键词】超宽带;盘锥天线;双锥天线;天线仿真
【作 者】山团彪;雷振亚;谢拥军;邢连发;李平
【作者单位】西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重
点实验室,西安,710071;北京航空航天大学,电磁兼容实验室,北京,100083;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,西安,710071
【正文语种】中 文
【中图分类】TN015;TN82
1 引 言
鉴于超宽带(UWB)技术具有巨大的商业价值和广阔的市场前景,2002年2月14日,美国联邦通信委员会(FCC)批准了超宽带(UWB)技术用于短距离无线通信的申请,并开放了3.1～10.6 GHz的频谱资源供其使用[1]。超宽带天线系统的发展促进了天线宽带技术的快速发展。UWB天线要求其输入阻抗和相位中心都具有超宽频带不变特性。在已有的UWB天线中,例如双锥天线、盘锥天线、双脊喇叭天线、对数周期天线等,盘锥天线由于其水平全向方向辐射和相对较小的尺寸,被广泛用于UWB系统中[2]。
盘锥天线结构简单,具有良好的宽带特性,垂直线极化,在水平面内全向辐射,且最大辐射方向在水平方向[2,3]。通常盘锥天线的频带宽度为8倍频,工作于VHF和UHF(300～3000 MHz)频段[4]。
盘锥天线优良的阻抗宽频带特性主要得益于其特殊的几何结构。盘锥天线可以看成上锥体半张角为 θ1=90°、下锥体半张角为 θ0的双锥天线 。盘锥天线保持了双锥天线宽频带的基本特点,其宽频带特性得益于它的非对称激励方式。如果将盘锥结构的盘和下锥体
分别看成是两个单极子,则这两个单极子的输入阻抗是不同的,整个天线的输入阻抗可看成是这两个单极子的输入阻抗的串联。只要合理设计,就可以使这两个单极子的输入阻抗随频率变化起互补的作用,且在很宽的频率范围内基本保持稳定。
文献[1]还介绍了盘锥天线其它展宽频带的方法,将母线改为折线、下锥体顶端光滑过渡、圆盘的边缘改为半圆弧的盘锥天线,都可以减少电磁波的反射,从而在一定程度上展宽了阻抗带宽。
2 盘锥天线的理论
盘锥天线是Kandoian在1945年提出来的。传统的盘锥天线的几何结构如图1所示[5],圆盘与50 Ψ同轴馈电电缆的内导体相连接,圆锥的锥顶与同轴线外导体相连接[6,7]。
图1 盘锥天线结构图Fig.1 Geometry of the discone antenna
图中,D为圆盘直径,h为上锥体高度,θ为上锥体的裙角,Dmin为下锥体上表面直径,Dmax为下锥体下表面直径,H为下锥体高度,θ0为下锥体的裙角,L为下锥体母线长。
盘锥天线的特性阻抗[7]近似为
盘锥天线的等效电路如图2所示。其中Z0为盘锥天线的特性阻抗,Y(l)=G+jX为天线辐射导纳。Y(l)电抗部分包含圆盘和下锥体之间的电容。由传输线理论,盘锥天线的输入阻抗为
式中,k0=ω 是自由空间的波数。由此看到,盘锥天线的输入阻抗是其电长度 k0l的函数。而Zin随电长度k0l变化的快慢程度主要由其终端导纳Y(l)=决定。如果Y(l)接近于双锥天线的特性导纳,则天线的输入阻抗几乎不随电长度变化。
图2 盘锥天线等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit of the discone antenna
本文在盘和下锥体之间增加了一个圆台结构的上锥体,如图3所示。原来的结构使得盘和下锥体之间存在一个电容,使得阻抗的虚部随频率变化非常剧烈。盘锥天线是从双锥天线演化而来,所以可以结合盘锥天线和双锥天线,也就是引入一个上锥体,既增加了盘锥天线的平滑过渡,又不影响盘锥天线的基本特性。相比原来的平板电容,改变后的结构的分布电容是渐变的,电容大小随频率变化相对平缓,通过改变上锥体的裙角 θ,可以改变此电容的大小,实现和下锥体的阻抗匹配,从而改善盘锥天线的驻波比。改进前后盘和下锥体之间的距离是不变的。除了这个上锥体之外,改进前后盘锥天线的其它尺寸都是一样的。
图3 改进结构前后的盘锥天线模型Fig.3 The discone antenna model and the improved one
小锥角(θ0≤20°)的盘锥天线,Zin随电长度 k0l变化剧烈[7],所以设计时锥角不能太小。由公式(1)可知,当 θ0=45°时,盘锥天线的特性阻抗近似为53 Ψ。盘的直径不可太小,否则辐射电阻小,电抗分量大,难与馈线良好匹配。通常取盘的直径稍小于下限工作频率对应波长的1/4,斜高则略长于下限工作频率对应波长的1/4。锥角一般取30°～60°之间[8]。上锥的高度会影响到盘与下锥体之间的电容,进而影响天线的输入阻抗,合适的上锥体可以部分改善盘锥天线的性能。
3 盘锥天线理论计算与仿真
可以在工作频段的最低工作频率上设计盘锥天线,圆盘直径 D ≥0.15λmax,天线高度(H+h)≥0.2λmax,下锥体的裙角 θ0在 25°～ 30°之间。典型的中心频率尺寸是:L=0.7λ,Dmax=0.6λ,D=0.4λ,θ0=25°和h<按照中心频率在1GHz下计算盘锥天线的各个尺寸,分别对天线的各个变量进行参数扫描,在ANSOFT HFSS软件里建立多个仿真模型。根据仿真结果,分析各个参数对天线性能的影响及其最优值范围。从仿真过程中我们可以看到,圆盘的直径D是影响方向图的主要因素,直径太大,将使水平方向以上的上半空间的辐射减弱,尺寸太小则趋向于破坏天线的宽频带特性。上锥体高度 h对方向图也有较大影响,对驻波影响也较大,上锥体的尺寸对盘锥天线性能影响较大,下锥体的下底面直径Dmax对方向图和驻波比影响较小,下锥体的锥角θ0对特性阻抗影响很大。如果锥角太小,则天线阻抗变化很剧烈;锥角太大,虽然天线阻抗变化不剧烈,但是难于与馈线匹配。合适的锥角是设计盘锥天线最重要的一步。锥角太大或太小都会影响天线的带宽。下面说明下锥角θ0的分析结果。从图4中 θ0的扫描仿真结果可以看到盘锥天线随θ0的变化不是成线性变化,而是有个最佳值,偏离这个最佳值,结果都会变得很差。
图4 驻波比随θ0角扫描变化曲线Fig.4 The variance of the VSWR with θ0
4 仿真结果
利用ANSOFT HFSS仿真软件,添加各个优化变量,设圆盘的直径、圆盘和下锥体的间距、下锥的高度、下锥的锥角等为优化变量,设置优化目标为驻波比小于2.5。经过优化,得到最后的主要尺寸为:Dmax=360 mm,Dmin=36 mm,θ0=0.55 rad,h=24 mm,d=284 mm,H=235 mm。
盘锥天线的阻抗虚部如图5所示,从阻抗变化曲线可以看出,增加了上锥体之后,改善了盘与下锥体之间的分布电容,天线的电抗部分有明显的改善,电抗曲线变化变得平缓。
图5 结构改变前后的阻抗对比Fig.5 The reactance before and after improving the structure
盘锥天线的驻波比如图6所示,从驻波曲线图可以看出此天线覆盖了从300 MHz～10 GHz的频段,带宽明显展宽,达到33倍频带宽。从图6中通过对比可以看出,改进前的盘锥天线的驻波比基本都在5以上,改进后的盘锥天线驻波比有很大提高,基本都保持在3以下。仿真结果表明引进上锥体有效地降低了天线的驻波比。
图6 改进模型前后的驻波比对比Fig.6 The VSWR before and after improving the structure
盘锥天线的辐射方向图如图7所示,当频率在0.7 GHz的时候,此结构小于一个波长,辐射电场方向图接近短振子的辐射方向图,增益最大值为3.7 dBi。当频率在4 GHz的时候,增益最大值为7 dBi;当频率在7 GHz的时候,增益最大值为5.5 dBi。当频率升高的时候,圆盘的电尺寸增大,由于圆盘的“屏蔽”作用,使最大辐射方向偏离水平方向而向下偏移,辐
射波瓣被在下半空间,但最大辐射方向基本在90°～270°之间。由于圆盘和下锥体的电尺寸增大,超过工作波长,所以形成很多副瓣。从图7(b)可以看出在水平面上,盘锥天线为全向辐射方向图。在不同的频率下,盘锥天线的增益大小不同。
5 结 论
本文将双锥天线和盘锥天线结合起来,在盘锥天线的盘和下锥体之间引入上锥体,从而把盘锥天线和双锥天线结合起来,在保持了盘锥天线基本性能的同时,有效地改善了天线的带宽,减小了天线的尺寸。传统的盘锥天线工作在300 MHz～2.4 GHz,一个典型盘锥天线工作在30～700MHz频率时驻波小于3,最大尺寸在2.75 m,而本文改进后的盘锥天线覆盖了300 MHz～10GHz的带宽,带宽达到33倍频,明显得到了展宽,而最大尺寸在0.36 m,比原先的尺寸要小很多。在这个频率范围内,驻波比基本小于3,但也使天线的最大辐射方向在高频时向下半空间偏移较多。从仿真结果来看,相比没有上锥体的盘锥天线,新增加的上锥体有效地改善了天线的阻抗特性,使得天线和馈线良好匹配,降低了天线的驻波。设计出的天线尺寸大大减小,相比文献中的其它小型化技术容易加工,达到了天线小型化的目的。
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