小型化超宽带盘锥天线设计

邱真钰，陈星

（四川大学电子信息学院，成都 610064）

0 引言

现代社会已经全面进入信息化时代，通信系统需要传输的信息量越来越大，对无线通讯设备也有了更高的要求。超宽带（ultra wide band，UWB）通信有着高速率传输、高频谱利用率、高保密性、强定位能力、系统简单、成本低［1］、多径分辨能力强等诸多优势［2］，成为现代通信的发展趋势。

现有研究中的宽带和超宽带天线的类型很多，例如TEM 喇叭天线［3］、螺旋天线［4］、Vivaldi天线［5］、双锥天线［6］和盘锥天线［7］等，但仅有非常有限类型的天线能够实现10倍频以上的带宽，盘锥天线是其中之一。

盘锥天线主要由馈电端口、锥体和圆盘三部分组成，结构简单，具有超宽带特性，由于其结构轴对称，还具有良好的水平全向辐射特性。盘锥天线由双锥天线变形而来，可以看成上锥体半张角为θ=90°，锥体半张角为α的双锥天线，保持了双锥天线的良好的宽频带和水平全向辐射特性，且尺寸减小一半，也避免了双锥天线不稳定的缺点［8］。传统结构的盘锥天线电尺寸大约为四分之一波长，尺寸仍然较大。天线的Q（品质因子）值［9］是与天线的尺寸呈反比关系；天线的尺寸越小，其Q值越大，则其带宽越有限。所以紧凑结构和超宽带性能这两个指标通常是矛盾的。因此，设计能够同时实现超宽带、紧凑和简洁结构特性的盘锥天线具有一定的挑战性。

本文通过顶部加载，提出了一种新型小型化超宽带全向盘锥天线。短波频段对应的波长长度较大，所以需要减小天线的物理尺寸。在锥体顶部加载，选取表面电流较强的边缘加载圆环结构，使其呈现出渐变结构特性，天线在保持良好宽频带特性的同时具有更低的剖面，从而实现天线的小型化。采用镂空的线栅结构代替圆锥表面［10］，简化结构的同时，保持原有的超宽带特性和全向辐射特性。

1 天线设计与结构分析

设计的盘锥天线如图1 所示，参数如表1 所示。天线主要是由下方的盘锥部分和顶部的圆环加载组成。

图1 天线结构和尺寸

表1 天线的主要结构参数（单位：m）

将盘体结构和锥体结构分别视为两个振子，两个振子结构不同，特性阻抗也存在差异。通过合理的设计，在较宽的频率范围内，两个振子的输入阻抗互补，天线的输入阻抗变化缓慢，与同轴线缆阻抗匹配，从而实现了超宽带特性。在设计过程中，盘锥天线的特性阻抗与锥体倾角角度α 有关，一般可通过优化α 来调节阻抗匹配。盘体尺寸不能过小，否则天线的辐射电抗分量增大的同时辐射电阻减小，影响阻抗匹配。

本文中的盘锥天线将传统形式中的盘体和锥体两部分互换，馈电部分采用同轴线缆进行馈电，同轴线缆的内导体与锥体结构连接，外导体与盘体结构连接，选取结构稳定性更好的方盘替换传统的圆盘。当金属杆之间的间距远小于波长时，镂空的线栅结构可近视为完整的面结构，所以锥体部分采用12 根等间距的金属杆构成锥体，在性能上和完整的面结构锥体结构等效，结构简单，降低成本。

顶部加载是盘锥天线小型化的一种有效方式。天线在不同频率下的电流分布如图2 所示，在3 MHz 时，即低频段，电流主要集中在方盘中心、四根短路柱及周围地区；在15 MHz时，即中频段，电流主要集中在锥体部分和地面中心部分，在30 MHz时，即高频段，电流主要集中在锥体部分和地面周围部分，所以，天线的锥体部分主要影响中高频，顶部的金属加载主要影响低频。顶部加载使天线顶端产生电流，延长了电流的流动路径，改善了天线在低频段的阻抗匹配，拓宽了天线的工作频段。

图2 不同频率下的电流分布

是否顶部加载的输入阻抗变化如图3 所示，未顶部加载的天线输入阻抗在低频段变化剧烈，顶部加载后，在低频段加载结构与地板之间形成分布电容，实部和虚部部分有了明显的改善，变化平缓。顶部加载之后出现新的谐振点，降低了低频截止频率，有效的改善了天线低频段的阻抗匹配，验证了顶部加载的有效性。

图3 是否顶部加载的输入阻抗对比

盘锥天线常采用圆盘等面结构作为顶部加载，短波频段对应的波长较长，顶部加载部分的尺寸也大，在工程实践制作中也造成了较大的困扰。对于完整面的圆盘加载，电流主要集中在圆盘边缘部分，越趋近于圆盘中心，电流逐渐减弱。保留电流较强的边缘部分，镂空中间电流较小的区域，对此，本文提出了一种新型的顶部加载形式，如图1 所示，仅由两个圆环和两根正交的“十”字架金属杆组成，结构简单。圆环结构与地板之间形成分布电容，改善低频阻抗值。“十”字架金属杆增加了电流的流动路径，进一步拓展了低频带宽，也起到了支撑的作用。引入了金属短路柱，等效为在原有电容加载的基础上引入电感分量，从而在工作频带内引入一个新的谐振频率，改善了低频阻抗带宽。

如图4 所示，在VSWR<2.5 的标准下，未顶部加载的盘锥天线覆盖6.6～35 MHz，模型高度为10.85 m，即0.24λ；顶部加载之后的盘锥天线覆盖2.74～35 MHz，模型高度为12.45 m，即0.11λ，有效降低了低端截止频率，电尺寸减小了一半，实现小型化的目的。本文中采用的顶部加载虽然结构简单，但是依旧起到了良好的小型化作用。

图4 是否顶部加载VSWR对比

通过电磁仿真软件仿真分析了顶部加载和锥体间距h2 对VSWR 的影响，从图5 可以看出，当h2 < 1.6 m 时，低频段阻抗失配，VSWR 增大到2.5 以上。当h2 >1.6 m 时，最低工作频率略微向低频移动，但是天线整体高度增加，因此综合考虑，选取h2=1.6 m 作为顶部加载和锥体间距，在满足低频段VSWR<2.5 要求的同时减小了天线高度。

图5 VSWR随顶部加载和锥体间距的变化曲线

2 天线缩比仿真与加工实测

由于短波天线尺寸较大，其加工周期较长且相关特性的测量都具有一定的难度和较长的周期，因此为了更快的对该天线方案的可行性进行验证，对天线进行缩比加工。电尺寸一致时，缩比模型的辐射方向图、天线输入阻抗等都与原本尺寸下的方向图、输入阻抗非常接近，遂将天线模型物理尺寸缩小200倍进行加工。实物图如图6所示，缩比后的天线物理尺寸只有17 cm×17 cm×6.7 cm（0.27λ×0.27λ×0.1λ），尺寸较小，方便对其相关性能进行测量，以此来验证该天线方案的可行性。

图6 天线实物

使用矢量网络分析仪N5230A 测试了天线的VSWR 曲线，如图7 所示，可以看到VSWR 测试曲线和仿真曲线基本吻合，实测VSWR<2.5 阻抗带宽覆盖0.47～6.5 GHz，有效工作频段还可以继续向高频延伸，工作带宽超过13倍频，具有良好的超宽带特性。

图7 VSWR的仿真与实测对比

使用微波暗室测试了天线E 面、H 面方向图以及增益。图8 为天线在不同频率下E 面归一化方向图的仿真和实测结果，方向图大致吻合。在低频时，方盘的电尺寸小，方向图与偶极子类似，随着频率增加，方盘电尺寸也随之增加，方盘对天线产生不可忽略的影响，主辐射方向向上半平面倾斜。图9 为天线H 面归一化方向图，由于盘锥天线是对称结构，H面方向图近似于圆形，实测不圆度为±1.8 dB，具有良好的全向辐射特性。但是由于顶部圆环是手工绕制而成，有一定的误差，E 面和H 面方向图也因此存在一些偏差，实测不圆度比仿真值大。总体而言，天线还是具有良好的水平全向辐射特性。图10为天线的增益曲线，在工作频段内，天线的测试增益为1.9～7.8 dBi，增益最高可达到7.8 dBi。

图8 不同频率下的E面归一化方向图仿真与实测对比

图8 不同频率下的E面归一化方向图仿真与实测对比（续）

图9 H面归一化方向图仿真与实测对比

图10 天线增益曲线

3 结语

本文提出了一种小型化超宽带盘锥短波天线，对传统盘锥天线进行小型化设计，利用金属杆代替盘锥天线锥体部分的金属面结构，在保持原有特性的同时，简化了天线结构。采取顶部加载的形式，在电流较强的边缘部分加载了两个对称的圆环结构，正交的“十”字架金属杆既增加了电流的流动路径，又起到了支撑的作用，降低了天线的剖面，实现了小型化。通过缩比测试验证了该天线结构可行性，天线的VSWR<2.5 阻抗带宽超过13倍频，具有超宽带特性，在工作频带内增益最高可达7.8 dBi，采用顶部加载减小了天线尺寸，结构简单，适用于短波波段。