具有陷波特性的无人船双频段盘锥天线设计*

2016-12-23李雪健何杨炯王怀强

电子器件 2016年6期

关键词：陷波驻波比超宽带

李雪健，李萍，何杨炯，姜源，王怀强

（工程大学信息工程系，西安710086）

具有陷波特性的无人船双频段盘锥天线设计*

李雪健，李萍*，何杨炯，姜源，王怀强

（工程大学信息工程系，西安710086）

设计了一款适用于应急救援无人船平台的双频段盘锥天线。对传统盘锥天线进行了伞骨化改造并加载了匹配小铜片，实现了天线陷波并减小了风阻。利用HFSS软件对天线进行仿真并实际制作和测量了天线。测量结果表明：天线在应急救援的350 MHz～370 MHz和850 MHz～870 MHz频段上驻波比均小于1.4，辐射方向均为水平全向，增益最高分别达到4.12 dB和6.2 dB。在易产生干扰的370 MHz和850 MHz频段上，驻波基本高于1.5，实现了陷波。所设计的天线满足应急救援无人船平台对天线的要求。

盘锥天线；双频段；陷波设计；无人船平台

随着科学技术的飞速发展，无人船作为一种新兴的水上载体平台正逐步应用在环保监测、水上救援，水上侦察等领域，为无人船设计一款工作于应急救援频段的天线具有较好的应用前景［1-2］。目前国内水上救援通信主要使用UHF中Δf1=350 MHz～370 MHz和Δf2=850 MHz～870 MHz这两个频段。文献［1］为无人船设计了一款工作于285 MHz～950 MHz频段内的超宽带盘锥天线，如图1所示。

图1 盘锥天线

虽然超宽带天线覆盖了Δf1、Δf2两个频段，但其宽频带特性同时也会接收两频段间无用频段的电磁波信号，增加了后端电台的滤波压力。因此，抑制天线在Δf3=370 MHz～850 MHz频段上的性能，实现天线陷波具有较高的研究意义。本文对传统盘锥天线进行了伞骨化改造，实现了天线的陷波。设计出适合无人船水上救援的双频段天线。

1 天线设计理论

1.1 盘锥天线

1943年，Armig G Kandoian首次提出盘锥天线，即用圆盘将双锥天线其中一个锥体替代，在体积减小一半的情况下达到与双锥天线相似的天线性能［3］。

1.1.1 盘锥天线特性阻抗

由于盘锥天线是双锥天线的特殊形式，广义上属于双锥天线的范畴。盘锥天线拥有非常良好的阻抗特性，其阻抗特性可以近似表示为［4］：

式中，θ0为下锥体的半张角。盘锥天线的圆盘和圆锥本质上是两个单极子天线。

1.1.2 辐射方向特性

盘锥天线是轴对称结构，所以该天线的辐射方向图的H面是近似于圆形。在低频段时，天线的辐射方向特性近似一个单极子天线的辐射方向特性。在高频段时，由于有圆盘反射，使得最强辐射方向偏离水平方向，天线的水平方向系数下降明显［5］。

1.2 超宽带天线陷波技术

陷波技术是指为了抑制系统间的干扰，使UWB天线在无用频段内均呈现较大的反射系数，即具有陷波功能。通常要求，超宽带天线在陷波处S11＞-10 dB，驻波比VSWR＞2，增益非常小等等。

1.2.1 天线开槽陷波

在天线辐射体、地面或者馈线上有目的地开具有一定形状的槽，从而使天线辐射时的电流分布发生变化，实现超宽带天线通信中对无用或者干扰频点的屏蔽作用的方法称为天线开槽陷波法［6，7］。使开槽的尺寸长度等于抑制频率的1/4或1/2波长，成为1/4波长的滤波器或者1/2波长滤波器，从而实现抑制相应的中心频率两边的频段，从而实现陷波特性。

1.2.2 加载陷波

加载陷波是在超宽带天线辐射单元或在天线的馈线上加载各种各样的匹配贴片或在天线的适当位置加载适当的介质来改变天线辐射单元上电流的分布，从而使超宽带具有陷波特性［8］。并且可以通过调节加载贴片或介质的大小来实现在超宽带通信系统中所需要抑制的窄带信号。

2 无人船双频段天线仿真设计

2.1 伞骨化开槽陷波

根据开槽陷波法，对天线的上圆盘和下锥体进行开槽。将结构强度更大的金属杆代替开槽后圆盘和圆锥上剩余的金属片。

2.2 加载陷波匹配金属片

在圆盘与上锥体之间的馈电点附近加载匹配小铜片，改变天线的电流分布，起到陷波的作用。天线最终结构如图2所示。

图2 天线结构示意图

对天线的几何结构参数的分析，分别得到决定天线性能的主要结构参数。利用高频仿真软件HFSS对变量进行优化仿真，得出天线最佳几何结构参数。如表1所示。

表1 优化后的天线主要几何结构参数

图3为模型整体直观图。通过仿真优化，得到天线最佳性能，其驻波比如图4所示。

由图4可知，无论是在Δf1或Δf2频段内，天线均满足VSWR≤1.4的条件，且抑制了Δf3频段的驻波比，使得天线整体出现了陷波的效果。

350 MHz、850 MHz两个频点处的三维增益图如图5所示。

图3 无人船双频段天线整体直观图

图4 无人船双频段天线驻波比

图5 天线350 MHz和850 MHz三维增益图

由天线的波瓣图可以看出，天线在两个频点处在天线在水平面均为全向辐射。在350 MHz和850 MHz可以能达到4.12 dB和6.2 dB，满足通信天线增益大于3dB的需求。

3 无人船双频天线的制作与测量

根据仿真设计模型对天线进行实物制作和测量，结果如图6～图8所示。

图6 天线实物及测量

图7 天线驻波实测结果

图8 天线在850 MHz的辐射方向图

由图7可以看出，天线在340 MHz～380 MHz频段上的驻波比为1.37～1.38，在840 MHz～880 MHz频段上驻波比为1.35～1.37，370 MHz～850 MHz频段上，驻波比高于1.5的带宽高达464 MHz。与图4仿真结果对比，天线实物测量的驻波比在f1和f2频段上比仿真结果的驻波比高约0.029～0.258，驻波曲线拉升幅度比仿真曲线小，实测性能与仿真结果基本一致。

从图8可知，天线的实测方向图跟仿真的方向图形状基本一致，最大辐射方向位于120°和225°附近，H面图整体保持全向性，但是整体偏离圆心。天线实物的实际方向图与仿真方向图大致吻合。

4 结论

本文设计了一款带陷波的无人船双频段天线，为实现天线陷波，对传统盘锥天线进行伞骨化改造并加载了匹配小铜片。实际加工并测量了天线。结果表明，在应急救援通信的f1、f2两个频段上，天线驻波均小于1.4，最高增益分别为4.12 dB和6.2 dB。在需要抑制驻波性能的370～850 MHz频段上，驻波比基本高于1.5，实现了天线陷波设计。所设计天线基本能满足无人船平台的使用要求。

［1］王怀强，李萍，李雪健.基于无人船平台的超宽带UHF盘锥天线设计［J］.低温物理学报，2016（1）：77-80.

［2］王怀强.武警抗洪抢险无人船超短波天线设计［D］.西安：武警工程大学，2015.

［3］Kandoian A G.Broad Band Antenna：2368663［P］.1945-02-07.

［4］张鑫.UWB锥形天线及其阵列的研究［D］.大连：大连海事大学，2013.

［5］龙文峰.超宽带变形锥天线的分析与设计［D］.长沙：国防科技大学，2013.

［6］Evangelos S A，Anastopoulosetal A Z.Circular and Elliptical CPW-Fed Slot and Microstrip-Fed Antennas for Ultra Wideband Applicationst［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagate Lett，2006，31（5）：294-297.

［7］Yao F W，Zhang S S，Liang X.Wideband Slot Antennas with a Novel Microstrip Feed［J］.IEEE Microwave Opt Tech Lett，2005，46（3）：275-278.

［8］谭瑞，龚书.双陷波特性的单极子超宽带天线［J］.电子科技，2001（10）：58-61.

［9］李校林，魏凡童，张大杨.新型单馈共口径三频三极化微带天线的设计［J］.电子器件，2015，38（2）：250-253.

［10］朱永忠，李萍.一种新型超宽带平面单极子天线［J］.电子器件，2007，30（3）：804-807.

李雪健（1991-），广东省梅县人，男，汉族，武警工程大学信息工程系，硕士研究生，主要研究方向为微波技术与天线，476551810@qq.com；

李萍（1957-），辽宁营口人，女，汉族，武警工程大学信息工程系，教授，博士生导师，主要研究方向为天线电磁场理论与微波技术，1543429060@qq.com。

Design of Unmanned Ship Dual-Band Discone Antenna with Band-Notched*

LI Xuejian，LI Ping*，HE Yangjiong，JIANG Yuan，WANG Huaiqiang
（Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi’an 710086，China）

A dual-band discone antenna was designed for emergency rescue ship unmanned platform.It’s a um⁃brella ossification transformation of the traditional discone antenna by using matched small coppers which realizes the antenna notch and reduces air resistance.The result indicates that while the antenna frequency band is in emer⁃gency rescue 350 MHz～370 MHz and 850 MHz～870 MHz，both their VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）are less than 1.4，and the omnidirectional radiations are in the horizontal direrction with the maximum gain 4.12 dB and 6.2 dB.The VSWR are almost higher than 1.5 and achieves the notch while in the easily interfering 370 MHz～850 MHz band.So the antenna designed meets the requirements of the emergency rescue unmanned boat platform.

discone antenna；dual-band；band-notched design；unmanned ship platform