盤錐天線的分析與設計摘 要 近來VHF和UHF頻段的通訊設備正逐步向寬帶一體化的方向快速發展，這同時也就要求作為通訊前端的天線必須具有寬帶特性。為了滿足用戶的需求，我們采用了具有良好電性能和機械性能的盤錐天線作為系統的通訊天線。本文對盤錐天線進行了理論分析，并介紹了盤錐天線的一種設計方法。理論分析及實驗結果均表明，本次設計的盤錐天線，其各項性能指標均可滿足用戶應用要求。關鍵詞：寬頻帶；全向天線1、引言盤錐天線是一種具有寬頻帶、線極化特性的全向天線。這種天線是由一個導體圓盤和一個導體圓錐構成的，該天線可以被看成雙錐天線的變形，即把雙錐天線的其中一個圓錐振子改成圓盤后就形成了盤錐天線。圓盤的中心與饋電同軸電纜的內導體相連，圓錐的錐頂與同軸線外導體相連。其結構如圖（1）所示。支撐桿振子絕緣體頂盤圖（1）天線示意圖本次設計的天線采用粗振子構成天線錐面，天線的總高度約為0.325max（不含支架），功率容量較大，采用50高頻電纜饋電。該天線的主要特點是：在4:1的帶寬內天線的電壓駐波比（VSWR）小于2，并在水平面內產生全向性的方向圖和輻射垂直極化波。此外，合理的結構設計使天線的重量大大減輕，便于裝拆，符合用戶的應用要求。2、理論分析2.1、輻射特性分析由于盤錐天線的輻射特性在許多方面與傳統的雙錐天線類似，因此為了對盤錐天線的輻射特性作一個定性的分析，我們做以下假設：（1） 假設天線的盤為無限大理想導體；（2） 根據鏡像理論，再把實際天線近似為高度、側面積和張角均相等的雙錐天線來進行分析計算。圖（2）在球坐標系下，用分離變量法解波動方程（ 2+k0=0）可以得到： (r,)= r Tv () Zv (k0r) （1）其中：Tv ()是v階第一類和第二類勒讓德函數的一個線性組合；Zv (k0r)則是v階廣義的球貝塞爾函數；k0=(00)1/2是自由空間波數。考慮到勒讓德函數和球貝塞爾函數的特性，錐體外部內域和外域中的位函數1應分別取為：內域： A1 = r Tv () Jv (k0r) （2）外域：A2 = n Bn Pn (cos) Hn (k0r) （3）其中：Tv ()= Cv Pv ()+ Dv Pv (-cos)；Jv (k0r)= k0r jv (k0r) ；jv (k0r)是第一類v階球貝塞爾函數，它代表在r方向的一個駐波；Hn (k0r)= k0r hn (k0r) ；hn (k0r)是第二類n階球漢克爾函數，它代表沿r方向的外向行波；Pn (cos)是勒讓德方程的線性解；式中v是待定常數，n是非零的整數，Bn、Cv、Dv 是待定的展開系數。代入邊界條件，可解得雙錐天線的方向圖函數為：f()= n jn-1 Bn ()P/n (cos)sin （4）公式（4）給出了雙錐天線的方向圖特性，其波束寬度與盤錐天線的較近似。但由于盤錐天線的盤是有限尺寸的，因此在頻段的頻率高端將會對電波的輻射起到一定的“屏蔽”作用，使盤錐天線的最大輻射方向向下偏移，其最大輻射方向可以按照以下經驗公式進行估算：max= （/2）+ arcsin(1-/5d) (5)根據上述分析我們可以得到以下結論：盤錐天線由于其結構的對稱性，因而在與其對稱軸相垂直的面內，方向圖是一個圓。或者說，在水平面內其輻射是全相性的。其垂直面內方向圖在低平端與普通電偶極子天線相似，這是因為頻率低時圓盤電尺寸小，對方向圖影響不大。當頻率升高時，由于盤的“屏蔽”作用，使得最大輻射方向偏離=90、方向而向下偏移，從而導致天線在水平方向的方向性系數下降。顯而易見，盤錐天線的幾何尺寸對方向圖有著明顯的影響。因此在天線設計時，盤錐的直徑不能太大，如果太大，將使其垂直面的方向圖偏向90、的下半空間的現象更為嚴重，導致水平方向的方向性系數下降過多。圓盤的直徑減小，將使其垂直面方向圖接近于普通的無反射單極子天線的垂直面方向圖，但圓盤的直徑過小也會導致天線的阻抗特性惡化。此外，錐角的大小對輻射方向圖的影響也十分明顯。一般來說，錐角2很小時，天線的方向圖與普通單極子的方向圖相近，只是在高頻端最大輻射方向圖向90、的下方偏移。隨著錐角的增大，高頻段最大輻射方向向下方偏移的現象更加嚴重。尤其是290、時，在高頻端（f2f）將會在上半空間（90）各出現一個最大輻射方向，方向圖呈蝴蝶狀，使得水平方向的方向系數明顯下降。對應用在VHF和UHF頻段的盤錐天線而言，錐頂的尺寸Dmin如圖（3）所示的取值對方向圖沒有明顯的影響。2.2、阻抗特性分析盤錐天線的寬頻帶特性得益于它非對稱的激勵方式和它軸對稱的幾何結構。如果將盤錐結構的盤和錐分別看成是兩個單極子，則這兩個單極子的輸入阻抗是不同的。整個天線的輸入阻抗可以看成是這兩個單極子的輸入阻抗的串聯。只要設計合理就可以使這兩個單極子的輸入阻抗隨頻率的變化起到互補的作用，從而在所設計的工作頻帶內保持整個天線輸入阻抗隨頻率變化不是太大。將盤錐天線近似作為一個上錐體半張角=90、下錐體半張角為的雙錐天線來分析，它具有很低的特性阻抗。盤錐天線的特性阻抗2近似為：Z=60*ln(ctg(/2) () (6)由上式可以看出盤錐天線的特性阻抗明顯低于普通振子天線，其阻抗頻率特性也就明顯地優于普通振子天線。3、天線的設計DmindDmaxL0圖（3） 示意圖3.1尺寸設計由于盤錐天線的輸入阻抗與盤、錐的幾何尺寸有關。為了實現與50同軸電纜的良好匹配，盤錐天線的尺寸可按下述規律選擇：（1） 錐角2的設計：當2較小，斜高L較大，接近工作頻率對應波長的1/2時，饋線上的駐波比明顯增大，這與單極子天線在其長度接近半波長時的諧振現象相類似。如果2較大，盤錐天線則呈現類似于高通濾波器的特性，這是因為錐角大，振子粗，特性阻抗低，即使在錐體有較大的電長度時也容易實現與饋線匹配。一般取2=60。（2） 錐體斜高L的設計：斜高L的選擇與錐角有關。通常2在2590范圍內選擇。當2較小時，L應取得大一些，反之，當2在6090范圍內選擇時，L可取得稍小一些。對2=60情況，通常錐體的斜高可取為L=K*max/4，其中max是工作頻段下限工作頻率所對應波長，需注意的是錐體的斜高L應略長于下限工作頻率所對應波長的1/4，所以比例系數K在1.11.3范圍內選取。K值取得大一些可使最低頻率點上饋線上的駐波比小一些，當然k值的增加，意味著天線幾何尺寸的增大。實際設計尺寸為：L=97.5cm。（3） 頂盤直徑的設計：盤的直徑和錐體長度不能太小，否則其輻射電阻小而電抗分量大，難以與饋線良好匹配。通常，頂盤的直徑通常取為錐底直徑Dmax的0.7倍左右。實際設計尺寸為：d=68.95cm。（4） 其它尺寸的設計：盤與錐之間的間距的選擇幾乎與L和無關。值的大小對饋電點處的分布電容的大小影響很大，因而影響天線輸入端的匹配效果。Dmin應視結構而定，Dmin的大小影響工作頻段高端的阻抗匹配效果，因而Dmin不應過大。本設計是采用特性阻抗為50的同軸電纜對天線進行饋電。實際設計尺寸為： Dmin=1cm，=0.3*Dmin。3.2饋電設計本次設計采用50高頻電纜給盤錐天線饋電。饋線的外導體接盤錐天線的錐體，內導體接盤錐天線的頂盤。這種饋電方式與天線的結構配合較好，可以在100400MHz的帶寬內提供很好的電壓駐波比。3.3結構設計本次設計的盤錐天線是應用在100MHz400MHz的寬頻帶天線。為了減輕天線的重量并使天線易于加工和裝拆，在天線的結構設計中采取了以下措施：（1） 采用12根直徑為10mm的振子構成天線錐面；（2） 采用12根直徑為10mm的振子構成天線的盤；（3） 除饋電部分采用銅質材料外，其余均采用鋁合金管材；（4） 采用螺紋連接方式，便于用戶在使用時裝拆。4、結果分析雖然前面采用解析的方法對盤錐天線的輻射特性進行了定性的近似分析，但更加嚴格準確的計算仍必須采用有限元法和矩量法來實現。以下給出了本文所設計的盤錐天線的計算結果與實驗結果：天線的電壓駐波比為：5、結論本文所設計的盤錐天線的技術指標如下：工作頻率阻抗電壓駐波比額定功率極化