超宽带天线的设计

2022-05-12张金桥

西部广播电视 2022年5期

张金桥

（作者单位：天全县图书馆）

自1895年马可尼发明无线电报以来，出现了许多电磁波工程系统，其中包括无线电工程系统。无线电通信是利用自由空间传播的电磁波来传递信息。电磁波空间传播的方式主要有三种：一是靠近地面传播的地面波，其频率一般＜3 MHz；二是在空间两点之间直线传播的空间波，其频率一般在3～30 MHz之间；三是距离地面100 km外电离层回来的天波，其频率一般在30 MHz以上[1]。微波是指频率范围为300 MHz～300 GHz的电磁波，波长在1 mm～1 m。无线电经过100多年的发展，从电视广播、移动通信，到雷达导航、气象定位，再到军事领域中的制导武器、电子对抗等领域，取得了丰硕的成果。

在1898年，英国洛奇制成了最早具有宽带特性的双锥天线，其输入阻抗具有宽频带特性。因为其频带受有限尺寸所导致的终端反射影响，出现了卡特改进型单锥天线和双锥天线，坎多伊恩研制的盘锥天线，谢昆诺夫球形天线及布里渊的全向和定向同轴喇叭天线[2]。

为了满足超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术要求，通过天线辐射来实现超宽带，让其发射脉冲波形在不同频率相位中心的变化保真，相继出现了超宽带平板单极天线、超宽带印刷单极天线和超宽带印刷缝隙天线三类新型的超宽带平面天线。

近年来，随着航天事业的发展，超宽带平面天线的研究与应用越来越被人重视。为了适应小型集成化的需求，对天线的要求越来越高，特别随着小尺寸、超宽带、高性能的天线不断出现。在电子信息战中，UWB天线是电子对抗设备的关键部件，在UWB通信中实际使用的频谱范围为3.1～10.6 GHz，其中UWB系统的中心频率＞2.5 GHz的，需要拥有≥10 dB的500 MHz带宽，其比带宽为3.42:1。

天线的主要功能有：（1）能量转换；（2）定向辐射和接收电磁波。

超宽带天线优点：

（1）超宽带天线与传统的通信系统相比，结构更加简单；

（2）超宽带天线具有较高的传输速率，可达500 Mbit/s；

（3）超宽带天线的功耗较低；

（4）超宽带天线具有较强的抗干扰能力。

本文主要分析无限双锥单极天线理论及盘锥天线，并设计一个工作频率为1～3 GHz、驻波比≤2的辐射天线，并把设计盘锥天线作为实验目的。

1 双锥天线的理论分析

1.1 无限平面双锥天线理论分析

如图1所示，当激励电压V在锥尖馈电点上时，将会在导体表面沿径向方向产生电流I。当电流流动产生环向磁场Hφ时，假设双锥天线的传输在电磁波传播的方向上无电场分量和磁场分量[3]。

图1 无限长双锥天线

于是由式（9）和（11）得到在任何r点的特性阻抗为：

由式（12）可知：Z0与r无关，因此也就是输入阻抗，即无限长双锥天线的输入阻抗为：

根据计算可见，当天线在附近时能同时与同轴线达到良好的匹配效果。

1.2 双锥天线

由于不可能做出无限大的平面天线，因此必须对无限大的双锥天线进行改进。如图2所示，为改进型天线——有限平面双锥天线。该天线由两个上下对称的锥体组成，在两个锥体之间加一个电源，锥体的高为h、顶角为2θ，双锥天线具有很宽的带宽。锥体的高影响天线的带宽，锥体的顶角会影响电场场强方向，即会影响双锥天线的E面图[3]。

图2 有限平面双锥天线

（其中μ为真空中的光速，为3×108m/s）

2 盘锥天线

2.1 盘锥天线的结构

由于双锥天线的结构是立体结构，并且制造工序等较为复杂，所以本文采取盘锥天线作为超宽带天线的设计方案。盘锥天线可以认为是由无限长的双锥天线演变成有限长的双锥天线，再演变成上半个锥体由金属圆盘代替，下半个圆锥内换用同轴线馈电，如图3所示。既然盘锥天线可以看成是由双锥天线演变而来，那么盘锥天线的方向图H面也应该为圆形，并且在水平面上是全向的。E面为垂直平面方向图。

图3 盘锥天线的剖面图

盘锥天线可用于工作在甚高频（Very High Frequency，VHF）和特高频（Ultra High Frequency，UHF）频段，作为水平面全向垂直极化的天线，其在5:1的频谱范围内保持与50 Ω通过馈线上的电压驻波比≤1.5[5]。该天线由一个直径为D的圆盘、顶角为2θ和斜边长为L的圆锥构成。盘锥天线由锥体内的同轴线馈电，同轴线的内芯接在上面的圆盘中心点，外芯连接在间隙处与圆锥的顶部。圆盘直径D的大小影响着盘锥天线的方向图，若直径D过大，相当于在锥顶上加了一个大金属板，会将大部分电磁波反射回去，而高于水平方向处的电磁场强度将会减小；若D太小，则会破坏天线的阻抗宽带特性。在Cmax固定的情况下，天线的带宽与锥顶Cmin尺寸大小成反比。

2.2 天线的尺寸设计

根据设计要求，需要设计一个工作频率为1～3 GHz、驻波比＜2的超宽带天线。根据天线的最高、最低工作频率可以确定锥体Cmin、Cmax的大小。盘锥天线的最佳设计尺寸通过试验得出为S=0.3Cmin，D=0.7Cmax，L=22Cmin，θ=30°；在此尺寸下，若允许电压驻波比＜2，则比带宽可达9:1[5]。