超宽带圆锥天线的设计

龙文峰，李 杜，周 伟，付云起

(国防科学技术大学电子科学与工程学院，长沙 410073)

锥天线由于具有较好的宽频带特性，被广泛应用于VHFUHF波段的天线设计。理想无限长的双锥天线具有输入阻抗、方向图均与频率无关的特性，而实际中有限长的双锥天线，由于终端反射而不具有这种与频率无关的特性，其宽频带特性会受到一定影响。为了拓宽天线的带宽，人们对典型双锥天线做了很多改进，包括同轴双锥天线、盘锥天线、加载双锥天线、V型天线等，使得天线的阻抗带宽有很大改善。

为了实现低剖面共形的超宽带VHFUHF天线设计，人们在单锥天线的基础之上对其进行了一定程度的改进，实现了天线性能的提升，取得了进展。美国俄亥俄州立大学电子科学实验室的Jing Zhao、John L.Volakis等提出的一种新型的IHA(inverted-hat antenna)天线，改善了天线的性能，所设计的天线在0.2～2 GHz的带宽内实现了特性阻抗匹配。

但单锥天线也存在一些局限，例如有限尺寸的单锥天线难以实现很大的带宽。某项目要求天线直径不超过120 mm，高不超过120 mm，覆盖0.3～3 GHz的频带。利用渐变的椭圆曲线代替直线型的锥外形，对多个椭圆线段组成的天线进行仿真优化，最终选定了7椭圆凸起型锥天线。

1 天线设计

图1展示了椭圆线段组成锥天线的几何结构。天线的外表面辐射波采用的是垂直极化辐射。为了达到超带宽，天线的外部轮廓线是由原点开始的许多相似的椭圆线段组合而成，如图1(b)所示。

组成天线的椭圆的半径变化趋势是成指数螺旋增长的，令椭圆主半径为Xn，副半径为Yn，如图1(b)所示。主半径Xn的变化趋势为φ=0开始的螺旋增长，如图1(a)所示，即:

其中:Xn为螺旋线在 x轴上的长度;φn=π，3π，5π，7π，…;a是螺旋线增长速率。假设椭圆锥天线的外部结构由N个椭圆组成，那么

由于构成天线的相邻椭圆半径是成比例增长的，且比值为常数，因此

从图1(b)可以看出，如果天线的宽为ω，取最大椭圆的主半径XN为ω/2来计算天线的其他椭圆的半径，即

因而

因此将式(5)带入式(2)就可以求出其他椭圆的半径 Xn，n=1，2，…，N －1。

图1 椭圆线段组成锥天线的几何结构

由于每个椭圆的主半径Xn和副半径Yn成比例，对比值作了规定:

其中γi的值为:

M是一个控制天线凸起和凹入比率的参量，在设计中取M=10来计算。注意到最大椭圆的主半径和副半径为ω/2和h，所有椭圆主半径Xn和副半径Yn的和值分别为ω/2和h，所以必须降低每个椭圆半径的值才能满足天线的高和宽，那么修订后的椭圆主半径xn和副半径yn为:

其中:

对直线型椭圆天线fx和fy的值也是同样。图1(b)为3个椭圆组成的直线型椭圆锥天线，图1(c)为3D图形。

2 天线性能

2.1 不同数目椭圆组成锥天线的阻抗和增益性能

考察由3个椭圆、7个椭圆、11个椭圆组成的锥天线，如图2所示，并设定所有椭圆锥天线的直径w=100 mm，高h=120 mm。用HFSS仿真软件对天线在0.05～3 GHz频率范围进行了仿真。仿真采用50 Ω的同轴线进行馈电，接地面为无限大，边界条件为吸收边界。通过图3(b)和图3(c)可以看到7个和11个椭圆的组合符合作为天线的要求，天线阻抗的实部接近50 Ω，而虚部接近0 Ω。另外图3(a)显示所有天线的实际增益大于0 dBi。

图2 不同椭圆组成的天线的外部形状

图3 不同椭圆组成的天线的性能

2.2 轮廓线幅度的变化对天线阻抗的影响

由图2可以看到:构成天线的椭圆切线都在一条直线上。但是为了更好地实现阻抗匹配，设计椭圆的切线为凸起型和凹入型，如图4(a)、图5(a)所示。

图4(b)和图4(c)给出的是11椭圆锥不同幅度天线的阻抗实部和虚部。通过图4(b)和图4(c)的仿真结果可以看出:对于11个椭圆组成不同形式天线的阻抗特性，凹入型最高，直线型其次，凸起型最低，结果表明凸起型天线的阻抗最接近50 Ω，更好地实现了天线的阻抗匹配。图4(d)是天线的实际增益，图中显示凸起型天线的实际增益都在0 dBi以上，直线型和凹入型天线在部分频段增益在0 dBi以下。

图4 直径为100 mm高为120 mm的11椭圆锥天线

图5 直径为100 mm高为120 mm的7椭圆锥天线

图5显示的是7个椭圆组成的锥天线轮廓线幅度变化对阻抗的影响。图5(b)为阻抗实部，图5(c)为阻抗虚部，图5(d)为实际增益。

通过图5(b)和图(c)可以看出凸起型天线的阻抗更接近于实际阻抗。图5(d)为天线的实际增益，可以看出凸起型天线的实际增益都在0 dBi以上，直线型天线部分频段实际增益在0 dBi以下，凹入型天线的实际增益都在0 dBi以下。通过图5可以看到，7椭圆锥凸起型天线覆盖了0.3～3 GHz的频段。

经过上面的分析，得到7椭圆锥天线直径为100 mm，高为120 mm，阻抗匹配较好，频带宽度达到了10∶1，性能良好，达到了项目所提出的要求。

3 结束语

本文介绍了一种利用渐变的椭圆曲线代替直线型的锥外形来提高天线性能的方法。通过分析不同数目椭圆组成锥天线对阻抗的影响及轮廓线幅度的变化对天线的影响，得到了这种天线的设计规律。根据项目的要求，最终选择7椭圆锥凸天线结构，后续天线的进一步优化和匹配等工作正在进行。

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