超宽带盘锥天线的分析与设计

高凌洁，张雄伟

（1.宝鸡职业技术学院 陕西 宝鸡　721013；2.陕西烽火通信集团有限公司 陕西 宝鸡　721006）

超宽带盘锥天线的分析与设计

高凌洁1，张雄伟2

（1.宝鸡职业技术学院 陕西 宝鸡721013；2.陕西烽火通信集团有限公司 陕西 宝鸡721006）

为了设计出性价比更高的盘锥天线，从天线的设计原理及性能，分析了各种参数对天线性能的影响，通过改变天线的结构从而有效提升了天线的带宽。在理论计算的基础上利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对所设计的盘锥天线进行了优化设计，优化的结果表明利用仿真软件设计的该盘锥天线有效的覆盖了100～400 MHz频带，在该频带范围内该盘锥天线的驻波比小于2.5。充分体现了该仿真软件的可靠性和高效性。

盘锥天线；超宽带；驻波比；Ansoft HFSS

由于超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）通信技术具有高数据率、功耗低、复杂度低等特点，因此超宽带技术成为目前被广泛研究的一种新兴的无线通信技术。超宽带天线是UWB系统的重要组成部分，它与UWB技术共同发展。在已有的UWB天线中，例如盘锥天线、对数周期天线、双锥天线等，盘锥天线由于其特有的水平全向辐射和相对较小的尺寸以及较轻的重量，被广泛用于UWB系统。

盘锥天线是一种具有超宽频带 （频带宽度可达8倍频，工作于100～3 000 MHz频段）、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，盘锥天线可以看成是双锥天线的变形，盘锥天线以其结构简单以及良好的宽频带特性，在VHF和UHF频段内得到了广泛的应用。

1　理论分析

1.1辐射特性分析

盘锥天线是Kandoian在1945年提出来的，盘锥天线可以看成是上锥体半张角θ=90°，下锥体半张角为θ的双锥天线。天线的圆盘与50 Ω同轴射频电缆的内导体相连接，圆锥的锥顶与同轴线外导体相连接［1］，其结构如图1所示。

图1　盘锥天线结构图

图中，d为圆盘直径，Dmin为锥体小端直径，Dmax为锥体大端直径，L为锥体斜高，θ为半锥角，δ为锥体与圆盘的距离。

盘锥天线的方向图特性可以用以下公式来计算：

其中：Tv（θ）是v阶第一类和第二类勒让德函数的一个线性组合；Zv（k0r）则是v阶广义的球贝塞尔函数；k0=ω（ε0μ0）1/2是自由空间波数。

考虑到球贝塞尔函数和勒让德函数的特性，锥体外部内域和外域中的位函数应分别取为：

其中：Tv（θ）=CvPv（θ）+DvPv（-cosθ）；Jv（k0r）=k0rjv（k0r）；jv（k0r）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（k0r）=k0rhn（k0r）；hn（k0r）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（cosθ）是勒让德方程的线性解；式中n是非零的整数，v是待定常数，Bn、Cv、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：

根据上述分析我们可以得到以下结论：盘锥天线由于其对称结构，因而在H面的方向图是一个圆［2］。

1.2阻抗特性分析

盘锥天线优良的阻抗宽频带特性主要得益于它特殊的几何结构，盘锥天线可以看成是上锥体半张角θ=90°，下锥体半张角为θ的双锥天线。它具有很低的阻抗特性，它的特性阻抗可以用下列公式计算：

盘锥天线的输入阻抗与天线的几何尺寸有关，为了与50 Ω同轴射频电缆进行良好匹配，天线的几何尺寸按以下规律选择：

1）锥体的斜高 L=kλmin/4，其中比例系数 k在 1.1～1.3范围内取值，λmin为下限频率对应的波长。圆盘的直径d=0.7Dmax；

2）半锥角θ与斜高L有关，通常2θ在25°～90°范围内选择。当2θ较小时L应取较大一些；当2θ在60°～90°范围内选择时L应取较小一些。

3）圆盘与圆锥间的距离δ几乎与L和θ无关，δ值的大小对馈电处的分布电容有着巨大的影响，进而影响到天线输入端的匹配效果。大量的实验表明在不同的锥角条件下，当馈线为50 Ω同轴射频电缆时，取δ=0.3Dmin，d=0.7Dmax时天线的驻波比最小［3］。

2　电磁仿真

2.1理论参数计算

本文对一盘锥天线实例展开分析，该天线的具体设计参数如下：

a）频率范围：100～400 MHz；

b）功率容量：200 W；

c）电压驻波比：≤2.5；

d）平均增益：≥1.5 dBi

e）标称阻抗：50 Ω；

f）重量：≤2.5 kg（不含配件）；

g）接口型式：N型；

为了便于携带及架设，天线的盘和锥可以设计为辐射状的金属棒或金属带。根据上文的阻抗特性分析，可以计算出天线的各个尺寸。

Z0=50=60ln（ctg（θ/2）），经计算θ≈45°；

L=kλmin/4，k取1.2，λmin=光速/下限频率=3 m，经计算L=0.9 m；

根据工程经验Dmin≤0.1L，因为其尺寸大小影响到高端工作频率的阻抗匹配效果，因此将Dmin暂定为0.08 m。

利用三角函数可计算得知：

2.2仿真优化

根据理论计算出的天线尺寸，在ANSOFT HFSS软件中建立模型并运算，随后对运算结果进行优化设计，天线在仿真过程中需注意以下几个方面［4］：

1）自适应网格剖分频率的选择

通常，自适应网格剖分频率设置的越高，网格剖分就越细，计算结果相应地就更准确，对于超宽带问题，应该选择最高频率作为自适应网格剖分频率；

2）扫频设置

作为经验准则，当Fmax/Fmin＜4时，一般选择快速扫频（Fast Frequency Sweep）；对于Fmax/Fmin≥4的宽带问题，扫频类型一般选择插值扫频（Interpolating Frequency Sweep）；

3）优化设计

在创建初始结构模型时应尽量接近真实值，优化设计时要添加优化变量，最后进行灵敏度分析和统计分析。

仿真结果见图2、图3、图4。

3　实体设计

本次设计的盘锥天线是应用在100～400 MHz的宽频带天线，为了有效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进行了大幅度的改进，具体如下［5］：

3.1天线圆盘及圆锥的结构设计

传统的圆盘和圆锥辐射体是由金属板材或带材加工而成，虽然外形尺寸符合要求，但是携带、安装、拆卸极其不方便。理论中圆盘和圆锥可近似认为是由若干根线条紧密排布组成，在HFSS仿真过程中可用不同数量的线条进行反复优化，直至其线条数量最少又可满足圆面或锥面的辐射效果，经验证12根或更多线条组成的圆面或锥面完全能满足辐射要求。因此，采用12根φ8×450 mm的优质铝合金管绕圆周均布构成天线的圆盘，12根φ8×900 mm的优质铝合金管绕圆周均布构成天线锥面。

3.2馈源的结构设计

馈电部分采用优质铜合金加工而成，其余金属材料均采用铝合金加工而成，非金属部分采用环氧玻璃布棒加工而成。铝管组成的圆锥及圆盘与馈源采用螺纹连接方式，便于用户拆装。输出端口采用N型连接器，它能与50 Ω馈电系统良好匹配。

图2　100 MHz频率E面、H面方向图

图3　250 MHz频率E面、H面方向图

图4　400 MHz频率E面、H面方向图

3.3工艺性设计

为了提高天线的耐环境性，对金属部分进行各种氧化处理，对非金属部分采用胶木化处理，天线整个外表面喷涂了防锈漆，并进行了防水处理。以上工艺性的设计可防止在露天环境下对自然环境对天线的腐蚀，从而提高天线的使用寿命，天线具体外形图见图5。

图5　盘锥天线外形图

4　实体测试结果

4.1驻波比测试

用矢量网络分析仪对盘锥天线进行驻波比测试，在100～400 MHz范围内VSWR≤2.5。

4.2增益测试

采用比较法测量天线增益，用某型通用高速数据电台天线作为接收天线，用频谱仪接收射频信号，用信号源发射射频信号。第一次用待测天线作为发射天线；第二次用标准拉杆天线，分别测试一次场强，并记录数据，测试完毕后计算场强平均值。

1）设备连接方框图如图6所示。

图6　天线增益测量方框图

2）第一次用待测天线作为发射天线，第二次用标准拉杆天线作为发射天线，在100 MHz、250 MHz、400 MHz频率点上测试一次场强，并记录数据。第一次记为G1，第二次记为G2。

3）计算场强平均值分别记为：G1平均和G2平均。

被测天线增益可按以下公式计算式中：G—待测天线增益，单位：dBi；经计算增益值见表1。

表1　增益表

5　结　论

理论计算及仿真结果与实体的测试结果基本一致，证明了理论分析及仿真验证的正确性，证明了天线电性能的合理性。但在实际应用中还需考虑产品的环境适应性，应充分考虑产品材料的选择及表面涂覆处理。在后期的工作中仍需致力于天线频带的拓宽及辐射增益的提高［6］。

［1］Jin Au Kong.电磁波理论［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［2］王元坤，李玉权.线天线的宽频带技术［M］.西安：电子科技大学出版社，1996.

［3］林昌禄.天线工程手册［M］.北京：电子工业出版社，2002.

［4］刘振，石雄.基于HFSS的双频微带天线仿真及设计［J］.武汉工业学院学报，2013（3）：36-39.

［5］周喜全，惠鹏飞，赵岩，等.一种椭圆单极子超宽带天线仿真设计［J］.现代电子技术，2013（13）：78-79.

［6］杜瑞.应用于UWB系统的圆锥天线的分析与设计［D］.南京：东南大学，2005.

Analysis and design of ultra-wide band discone antenna

GAO Ling-jie1，ZHANG Xiong-wei2
（1.Baoji Vocational Technology College，Baoji 721013，China；2.Shanxi Communication Group Co.Ltd.，Baoji 721006，China）

In order to design a discone antenna more cost-effective，From the design principle and performance of antenna，Analysis of the influence of various parameters on antenna performance，By changing the structure of the antenna so as to effectively enhance the bandwidth of the antenna.On the basis of theoretical calculation，Discone antenna design was optimized using the electromagnetic simulation software ANSOFT HFSS，The optimization results show that the discone antenna design usingsimulation software of the effective coverage of 100 MHz～400 MHz band，In the frequency range of the discone antenna is less than 2.5 in Bobbi.A good identity is obtained which demonstrates the reliability and high efficiency of the simulation software.

discone antenna；ultra-wide band；ambassador bobbi；Ansoft HFSS

TP319

A

1674-6236（2016）06-0015-04

2015-05-06稿件编号：201505047

高凌洁（1978—），女，陕西宝鸡人，硕士，讲师。研究方向：计算机技术。