盤錐天線的分析與設(shè)計

1、盤錐天線的分析與設(shè)計盤錐天線的分析與設(shè)計摘 要 近來VHF和UHF頻段的通訊設(shè)備正逐步向?qū)拵б惑w化的方向快速發(fā)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(tǒng)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(shè)計方法。理論分析及實 驗結(jié)果均表明，本次設(shè)計的盤錐天線，其各項性能指標(biāo)均可滿足 用戶應(yīng)用要求。關(guān)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(dǎo)體圓盤和一個導(dǎo)體圓錐構(gòu)成的，該天線能夠被看 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

2、盤 后就形成了盤錐天線。圓盤的中心與饋電同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體相 連，圓錐的錐頂與同軸線外導(dǎo)體相連。其結(jié)構(gòu)如圖（1）所示。振子振子圖（1）天線示意圖本次設(shè)計的天線采用粗振子構(gòu)成天線錐面，天線的總高度約 為0.325入max （不含支架），功率容量較大，采用50Q高頻電纜 饋電。該天線的主要特點是：在4:1的帶寬內(nèi)天線的電壓駐波比（VSWR）小于2，并在水平面內(nèi)產(chǎn)生全向性的方向圖和輻射垂直 極化波。另外，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計使天線的重量大大減輕，便于裝 拆，符合用戶的應(yīng)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(tǒng)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

3、，我們做 以下假設(shè)：（1）假設(shè)天線的盤為無限大理想導(dǎo)體；（2）根據(jù)鏡像理論，再把實際天線近似為高度、側(cè)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(biāo)系下，用分離變量法解波動方程(2p+k0W=0 )能 夠得到：W(r,9)= Er Tv (0) Zv (k0r)(1)其中：Tv( 0)是v階第一類和第二類勒讓德函數(shù)的一個線性組 合；Zv (k0r)則是v階廣義的球貝塞爾函數(shù)；k0=3(0)1/2是自由 空間波數(shù)?？紤]到勒讓德函數(shù)和球貝塞爾函數(shù)的特性，錐體外部內(nèi)域和 外域中的位函數(shù)1應(yīng)分別取為：內(nèi)域：A1 = Er Tv (0) Jv (k0r)(2)外域：A2 = En Bn P

4、n (cos 0 ) Hn (k0r)(3)其中：T ( 0 )= C P ( 0 )+ D P (-cos 0 )； J (k r)= k r j (k r) ； j vv vv vv 00 v 0 v(k0r)是第一類v階球貝塞爾函數(shù)，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(shù)，它代表沿r 4 2020年4月19日方向的外向行波；Pn （cos。）是勒讓德方程的線性解；式中v是待 定常數(shù)，n是非零的整數(shù)，Bn、Cv、Dv是待定的展開系數(shù)。代入邊界條件，可解得雙錐天線的方向圖函數(shù)為：f（。）= En jn-i Bn （

5、。）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，其最大輻射方向能夠按照以下經(jīng) 驗公式進行估算：。max= （n/2）+ arcsin（1-入/5d）（5）根據(jù)上述分析我們能夠得到以下結(jié)論：盤錐天線由于其結(jié)構(gòu)的對稱性，因而在與其對稱軸相垂直的 面內(nèi)，方向圖是一個圓?；蛘哒f，在水平面內(nèi)其輻射是全相性 的。其垂直面內(nèi)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(dāng)頻率升高

6、 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(dǎo)致天線在水平方向的方向性系數(shù)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(shè)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(xiàn)象更為嚴(yán)重，導(dǎo)致水 平方向的方向性系數(shù)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(dǎo)致天線的阻抗特性惡化。另外，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29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9 90、的下

7、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(xiàn)象更加嚴(yán)重。特別是2 9 90、時，在高頻 端（f2f）將會在上半空間（9 90）各出 現(xiàn)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(shù)明顯下降。對應(yīng)用在VHF和UHF頻段的盤錐天線而言，錐頂?shù)?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(jié)構(gòu)。如果將盤錐結(jié)構(gòu)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 能夠看成是這兩個單極子的輸入阻抗的串聯(lián)。只要設(shè)計合理就能 夠使這兩個單極子的輸入阻抗隨頻率

8、的變化起到互補的作用，從 而在所設(shè)計的工作頻帶內(nèi)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9 =90、下錐體半張 角為9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( 心)(Q)(6)由上式能夠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(yōu)于普通振子天線。3、天線的設(shè)計Dmax圖（3）示意圖3.1尺寸設(shè)計由于盤錐天線的輸入阻抗與盤、錐的幾何尺寸有關(guān)。為了實 現(xiàn)與50Q同軸電纜的良好匹配，盤錐天線的尺寸可按下述規(guī)律選 擇：（1）錐角2。的設(shè)計：當(dāng)29較小，斜高L較大，接近工作頻率 對應(yīng)波長的1