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1、1,双锥天线,2,背景 原理 性能特点 应用，设计,3,双锥天线最早由谢昆诺夫提出并作为研究天线辐射特性的模型，由于具有良好的宽频带特性而得到了广泛的研究与应用。近年来，超宽带（Ultra-wide band）技术的兴起要求系统天线在很宽频带内辐射特性不变，在有关超宽带天线的文献中双锥天线是最受欢迎的天线形式之一。,4,用简单的办法扩展电偶极子天线的带宽，其一是增加电偶极子的导线直径，其二是进一步扩展这一思路，用直径渐变的导线去替代电偶极子的辐射体，形成双锥结构，即本组研究的双锥天线，能大大扩展天线带宽。首先研究理想化的双圆锥天线，然后讨论几种实用的变形天线。,5,无限长双锥天线,有限长双锥天
2、线,盘锥天线,6,无限长双锥天线,一金属导线与z轴之夹角为 绕z轴旋转一周形成图1所示的无限 长金属双圆锥。 两个顶点之间的间距 h为无限小，在顶点处双圆锥互相绝 缘。 用射频信号源接于两顶点之间， 在金属圆锥面上产生电流，并向空间 辐射电磁波。 图1所示结构即无限长双圆锥天线。,图1,7,分析表明，该结构可以看成是无限长圆锥传输线，传输的主模是TEM球面波。空间中仅存在H和E两个场分量。由 可得,(1),(2),8,由式（1）看到,双锥可视为球面波的波导，把磁场写成如下形式,把式(4)代入式(2)得到,式(5)就是，满足 ，所以是TEM模。,(3),(4),(5),9,场分量随的变化为,因此
3、归一化辐射方向函数为,方向图如图2所示,10,为了求解天线输入阻抗，首先必须确定端电压和端电流。参见图1，电压等于E沿着r=常数的路径积分,(7),11,磁场在导体表面的边界条件为 ，于是,由式（7）和式（8）得到任意r处的圆锥传输线特性阻抗为,(8),(9),可以看到Z0与径向坐标r无关，因此，Z0也是馈电点r=0的阻抗，即天线输入阻抗。式(9)是一个实数，与频率无关，所以理想情况的无限长双圆锥天线是一种超宽带天线。,12,无限长双锥结构的特性阻抗随锥体半张角的变化如图示。半张角愈大，特性阻抗愈小。张角约67时，其输入阻抗约50,13,实际应用中的双锥天线不可能是无限长的，有限长双锥天线如右
4、图所示。天线包含于半径为h的假象球体中，TEM主模与双锥末端产生的高次模同时存在。天线电抗主要是由高次模引起的。此外，双锥末端还存在电流的反射波从而导致驻波，这便导致了输入阻抗的复杂变化。,有限长双圆锥天线,14,设法增大上图中的半顶角 ，可望降低输入阻抗的电抗部分，并且会使带宽增加。同时使得输入阻抗的实部对于频率的变化不敏感。,15,16,对天线设计者来说，锥体的终端是如何设计是富于挑战性的。一种办法就是使得它的长度相对于工作波长相对长，D.McNamara和他的同时发现直径为一个波长、 的双锥在6:1的宽带范围内有良好的匹配。结构如图：,17,盘锥天线,若有限长的双锥天线的一个锥用盘状导电
5、平板代替，则有限长双锥天线就变成了盘锥天线，如右图。显然，盘锥天线是在双锥天线的基础上发展而来的。它像垂直振子天线那样辐射垂直极化波，并且是在水平面内辐射均匀的全向天线。盘锥天线在相当宽的频率范围内提供令人满意的方向图和阻抗特性，例如可以在5：1的频率范围内保持驻波比VSWR 1.5,18,在方向图参数满足常规要求的前提下，可以设计出具有宽带阻抗特性的盘锥天线，标称值是50 。相对于中心波长 ，典型的尺寸是,例如，中心频率为1GHz（ =30cm）的盘锥天线，方向图如下图所示。这时其尺寸分别为,19,20,从图中可以看到其带宽达3：1。在低频段，无线尺寸相对于波长较小，其方向图与短振子天线相差不大（见图3-17a）。随着频率的增加，导电圆盘的电尺寸增大，辐射被较多的限制在下半空间（见图3-17b）。当频率再增大，天线的性能便接近无限长双锥的性能。例如，当频率是1500MHz，方向图（图3-17c）非常接近于图1中无限长双锥之一对辐射的贡献。,导电圆盘的尺寸对方向图的影响很大：尺寸太大，将使上半空间的场强减弱，这与圆盘上的单极子天线类似；尺寸太小，趋向于破坏天线的宽频带特性。,盘与锥之间的距离 对方向图无显著影响，可以依据频率而定。,21,THE END！,