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1、盘锥天线的分析与设计盘锥天线的分析与设计摘要近来VHF和UHF频段的通讯设备正逐 步向宽带一体化的方向快速发展，这同时也就要 求作为通讯前端的天线必须具有宽带特性。为了 满足用户的需求，我们采用了具有良好电性能和 机械性能的盘锥天线作为系统的通讯天线。本文 对盘锥天线进行了理论分析，并介绍了盘锥天线 的一种设计方法。理论分析及实验结果均表明， 本次设计的盘锥天线，其各项性能指标均可满足 用户应用要求。关键词：宽频带；全向天线1、引言盘锥天线是一种具有宽频带、线极化特性的全向天线。这种天线是由一个导体圆盘和一个导 体圆锥构成的，该天线可以被看成双锥天线的变 形，即把双锥天线的其中一个圆锥振子改成
2、圆盘 后就形成了盘锥天线。圆盘的中心与馈电同轴电 缆的内导体相连，圆锥的锥顶与同轴线外导体相 连。其结构如图（1）所示。图（1）天线示意图本次设计的天线采用粗振子构成天线锥面,天线的总高度约为0325人max （不含支架），功率容量较大，采用50 C高频电缆馈电。该天线 的主要特点是：在4:1的带宽内天线的电压驻波 比（VSWR）小于2,并在水平面内产生全向性 的方向图和辐射垂直极化波。此外，合理的结构设计使天线的重量大大减轻，便于装拆，符合用 户的应用要求。2、理论分析2.1、 辐射特性分析由于盘锥天线的辐射特性在许多方面与传 统的双锥天线类似，因此为了对盘锥天线的辐射 特性作一个定性的分析
3、，我们做以下假设：(1)假设天线的盘为无限大理想导体；(2)根据镜像理论，再把实际天线近似为高 度、侧面积和张角均相等的双锥天线来进 行分析计算。图(2)在球坐标系下，用分离变量法解波动方程巾+k。4=0)可以得到:(r, 0 )= Er Tv ( 0 ) Zv (kor)(1)其中：心(9)是v阶第一类和第二类勒让 德函数的一个线性组合；Zv (kr)则是V阶广义 的球贝塞尔函数；k=3(。口。)”是自由空间波 数。考虑到勒让德函数和球贝塞尔函数的特性, 锥体外部内域和外域中的位函数应分别取为:内域：A1 = X r Tv ( 0 ) Jy (kor) (2)外域：A2 = E n Bn P
4、n (cos 0 ) Hn (kor) (3)其中：Tv (0)=CvPv (0)+DvPv (-cos 0 )； Jv (kor) = kor jv (kor) ； jv (kor)是第一类 v 阶 球贝塞尔函数，它代表在r方向的一个驻波；Hn (kor) = kor hn (kor) ； hn (kor)是第二类 n 阶球 汉克尔函数，它代表沿r方向的外向行波；Pn(cos 0)是勒让德方程的线性解；式中v是待定 常数，n是非零的整数，Bn、C、Dv是待定的展 开系数。代入边界条件,可解得双锥天线的方向图函数 为：f(。)= En 产1 Bn ( o )P； (cos0)sin 9(4)公
5、式(4)给出了双锥天线的方向图特性， 其波束宽度与盘锥天线的较近似。但由于盘锥天 线的盘是有限尺寸的，因此在频段的频率高端将 会对电波的辐射起到一定的“屏蔽”作用，使盘 锥天线的最大辐射方向向下偏移，其最大辐射方 向可以按照以下经验公式进行估算:0 皿二（冗 /2） + arcsin（l-人 /5d） 根据上述分析我们可以得到以下结论:盘锥天线由于其结构的对称性，因而在与其对称轴相垂直的面内，方向图是一个圆。或者说, 在水平面内其辐射是全相性的。其垂直面内方向图在低平端与普通电偶极子天线相似，这是因为频率低时盘电尺寸小，对方向图影响不大。当频率升高时，由于盘的“屏蔽”作用，使得最大 辐射方向偏
6、离6=90、方向而向下偏移，从而导 致天线在水平方向的方向性系数下降。显而易见，盘锥天线的几何尺寸对方向图有着明显的影响。因此在天线设计时，盘锥的直径 不能太大，如果太大，将使其垂直面的方向图偏 向e 90、的下半空间的现象更为严重，导致水 平方向的方向性系数下降过多。圆盘的直径减 小，将使其垂直面方向图接近于普通的无反射单 极子天线的垂直面方向图，但圆盘的直径过小也 会导致天线的阻抗特性恶化。此外，锥角的大小 对辐射方向图的影响也十分明显。一般来说，锥 角2 9。很小时，天线的方向图与普通单极子的方向图相近，只是在高频端最大辐射方向图向 。90、的下方偏移。随着锥角的增大，高频段 最大辐射方
7、向向下方偏移的现象更加严重。尤其 是2 90、时，在高频端（f2）将会在上半 空间（0 90）各出现一个最大辐射方向，方向图呈蝴蝶状，使得水平方 向的方向系数明显下降。对应用在VHF和UHF频段的盘锥天线而言，锥顶的尺寸Dmin 如图(3 )所示的取值对方向图没有明显的影响。2.2、 阻抗特性分析盘锥天线的宽频带特性得益于它非对称的 激励方式和它轴对称的几何结构。如果将盘锥结 构的盘和锥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 可以看成是这两个单极子的输入阻抗的串联。只 要设计合理就可以使这两个单极子的输入阻抗 随频率的变化起到互补的作用，从而在所设计的 工
8、作频带内保持整个天线输入阻抗随频率变化 不是太大。将盘锥天线近似作为一个上锥体半张角9 =90。、下锥体半张角为k的双锥天线来分析，它 具有很低的特性阻抗。盘锥天线的特性阻抗近 似为：Zo=60*ln(ctg( 9。/2)(。)(6)由上式可以看出盘锥天线的特性阻抗明显低于普通振子天线，其阻抗频率特性也就明显地优于普通振子天线。3、天线的设计图（3）示意图3.1 尺寸设计由于盘锥天线的输入阻抗与盘、锥的几何尺寸有关。为了实现与50 Q同轴电缆的良好匹配,7 III:锥天线的尺寸可按下述规律选择:（1）锥角2 6。的设计：当2 0。较小，斜高L较大，接近工作频率对应波长的1/2时，馈线上的驻波比
9、明显增大，这与单极子天线在 其长度接近半波长时的谐振现象相类似。如 果2 8。较大，盘锥天线则呈现类似于高通滤波器的特性，这是因为锥角大，振子粗，特 性阻抗低，即使在锥体有较大的电长度时也 容易实现与馈线匹配。一般取2 0=60;(2)锥体斜高L的设计:斜高L的选择与锥角有关。通常2 9。在2590范围内选择。当2。较小时，L应取得大一些，反之，当2 8。 在6090,范围内选择时,L可取得稍小一些。 对21=60情况，通常锥体的斜高可取为 L二K*入max/4,其中入max是工作频段下限 工作频率所对应波长，需注意的是锥体的斜 高L应略长于下限工作频率所对应波长的1/4,所以比例系数K在Lr
10、1.3范围内选取。K值取得大一些可使最低频率点上馈线 上的驻波比小一些，当然k值的增加，意味 着天线几何尺寸的增大。实际设计尺寸为:L=97. 5cm。(3)顶盘直径的设计:盘的直径和锥体长度不能太小，否则其辐射电阻小而电抗分量大, 难以与馈线良好匹配。通常，顶盘的直径通 常取为锥底直径Dmax的0.7倍左右。实际 设计尺寸为：d=68. 95cm。(4)其它尺寸的设计：盘与锥之间的间距6 的选择几乎与L和9。无关。6值的大小对馈 电点处的分布电容的大小影响很大，因而影 响天线输入端的匹配效果。Dmin应视结构 而定，Dmin的大小影响工作频段高端的阻抗匹配效果，因而Dmin不应过大。本设计
11、是采用特性阻抗为50。的同轴电缆对天线 进行馈电。实际设计尺寸为：Dmin=lcm,6=0.3*Dmin。3.2 馈电设计本次设计采用50 Q高频电缆给盘锥天线馈 电。馈线的外导体接盘锥天线的锥体，内导体接 盘锥天线的顶盘。这种馈电方式与天线的结构配 合较好，可以在100400MHz的带宽内提供很好 的电压驻波比。3.3 结构设计本次设计的盘锥天线是应用在 100MHz400MHz的宽频带天线。为了减轻天线 的重量并使天线易于加工和装拆，在天线的结构 设计中采取了以下措施:(1)采用12根直径为10mm的振子构成天线锥面；(2)采用12根直径为10mm的振子构成天线 的盘；(3)除馈电部分采用
12、铜质材料外,其余均采用 铝合金管材；(4)采用螺纹连接方式,便于用户在使用时装拆。4、结果分析虽然前面采用解析的方法对盘锥天线的辐射特性进行了定性的近似分析，但更加严格准确 的计算仍必须采用有限元法和矩量法来实现。以 下给出了本文所设计的盘锥天线的计算结果与实验结果：极坐标方向图(f=l08MHz)测试结果,计算结果极坐标方向图(f=225MHz)90270 0测试结果计算结果极坐标方向图(f=350MHz)902706测试结果,计算结果天线的电压驻波比为:电压驻波比VSWR5、结论本文所设计的盘锥天线的技术指标如下:工作频率阻 抗电 压 驻 波 比额定 功率极 化波 束 宽 度增益 （典 型值）重 量100 400MHz502最大垂水OdB8kgQ250W直平极面化内为全向该天线的设计指标达到了用户的应用要求, 现已在试用。参考文献:1电磁波理论，Jin Au Kong,电子工业出版社, 2003 年。线天线的宽频带技术，王元坤，李玉权，西安 电子科技大学出版社，1996年。天线工程手册，林昌禄等，电子工业出版社, 2002 年。