一种超宽带双圆锥全向天线的设计

一种超宽带双圆锥全向天线的设计

1第二,双圆锥天线通常，当天线工作的最高频率和最低频率之比大于10时，它被认为是一条宽度超过10的天线。本文介绍的双圆锥天线的最高频率和最低频率之比大于20,是典型的超宽带天线。此天线的结构形式如图1所示。此天线结构简单,由两个金属圆锥和一根同轴馈线构成。其辐射情况是由振子天线演化而来,圆锥臂可以用金属板围成,也可由金属网构成。前者用于高频,后者用于低频,设计方法有差别。当锥角θ=≥20°时,双圆锥天线的带宽非常宽。它的辐射空间在两个圆锥臂之间,同轴线的内外导体分别接到双圆锥的两个顶点,即可激励最低模式TEM波。也可以用圆波导E01模激励,不过其辐射的是水平极化波。这种喇叭无论工作在垂直极化还是水平极化波,其水平面都是全方向性的;在垂直面,则可按照对应极化的喇叭方向图尺寸计算,波瓣宽度与锥角和斜长有关。这种形式的天线一般为超宽带垂直极化使用,在更高频段有较大的增益,应用较多。2天线的结构尺寸双圆锥天线虽然同严格意义上的喇叭天线有很大的不同,但它的很多特性仍与喇叭天线相似,所以可以把它看作是一种特殊形式的喇叭。因而在设计中可以利用喇叭天线的设计方法。锥角θ≥20°时,双圆锥天线的的输入阻抗基本上等于特性阻抗:K=120Incot(θ/2)Κ=120Ιncot(θ/2)所以此类天线是超宽带天线,即频率无关天线,在一般情况下不考虑天线的带宽,考虑的是可以达到的增益。双圆锥天线的关键外型结构如图2所示,所要设计的天线的结构尺寸很有限,但尺寸必须最佳。上述结构图中,关键设计参数有锥角θ、圆锥直径D、锥高a(含一个小增量△a)。双圆锥天线的设计可以参照圆锥喇叭的设计,由圆锥喇叭的增益计算公式可以推导出双圆锥天线的增益为G(dB)=10log(2a/λ)−LeG(dB)=10log(2a/λ)-Le其中Le为最大口径相位差造成的增益损失,根据喇叭的增益校正因子曲线图可知。双圆锥天线可以得到最大的增益,即最佳喇叭,此时a最佳=2Lλ−−−−√=2Lλ。在最佳尺寸比例的增益为:G=5LogL/λ+3.57。实际上,当锥高a增大时,增益增加,同时最大口径相位差造成的增益损失也在增加,最佳尺寸时的增益值,是一个折中的结果。最佳增益时的锥高a是一个综合尺寸,对性能的影响也是综合性的,所以该尺寸非常关键。对于垂直极化或水平极化双圆锥天线,在水平面辐射方向图是全方向性的。在垂直平面内,可由E面喇叭的通用辐射方向图通用曲线计算。因此,在锥角一定时,只要知道双圆锥天线的锥高a,就可以推算出最佳天线的增益、波宽和整个方向图。反之,也可由需要的波宽来推算出此天线的结构参数。根据上述公式和理论,取圆锥直径D=260mm,工作频率为X波段,则可计算出双圆锥天线的结构尺寸和电性能,具体数据如下:双圆锥天线的高度a=92mm圆锥的斜边长L=138mm张角θ=70.5°增益G=6.88dB波宽2ϕ0.5=20°3天线的仿真结果为了进一步验证上述理论设计的正确性,采用电磁场仿真软件进行仿真计算。我们使用的是CST微波工作室。该软件是一种基于有限积分法的3D电磁仿真软件,可以方便的完成各种天线的建模,其可以计算的天线电尺寸更大些。CST微波工作室双圆锥全向天线的建模如图3所示。图3中的两个圆盘均为铝制圆锥,中间以同轴线连接馈电。建模完成之后就可以进行仿真。由于此天线带宽太宽,所以采用分频段仿真。先仿真0.7~8GHz这一频带,算出的此天线的VSWR曲线见图4。再仿真8~12GHz这一频带,VSWR曲线如图5所示。由上图可知,在需要工作的频段内,VSWR值较大,通过在仿真图中调整两个圆锥锥顶的间距,可以减小VSWR的值,调整和优化后的VSWR曲线图如图6所示。所计算的垂直极化工作时,E面和H面的方向图分别如图7、8所示。如图所示,双圆锥全向天线工作在垂直极化时,E面为均匀全向方向图,H面的3dB波宽为19.7°,天线的增益为6.1dB。12~17GHz以上的频率的仿真由于需划分的网格过多,无法在普通个人电脑上实现,需使用高级服务器才能实现。通过设置多个频率的监视器,可以得知工作在不同频率时的方向图只是增益和H面的波宽不同,E面均为均匀全向面。4u3000sq-pcr天线根据以上设计的实际结构尺寸,我们加工了一个这种双圆锥,对天线进行适当的调节,使VSWR尽可能小,测出的VSWR结果如图9所示。在X波段的1GHz内,VSWR<1.3。在0.1~20GHz范围内的VSWR如图10所示。可知此天线在0.8~16.7GHz频率范围内VSWR<2。图11为此天线垂直面实测方向图。由图可知,最大增益为6dB,波宽为20°。波宽的实测结果与CST仿真结果很接近,但VSWR的实测结果则优于CST的仿真结果,原因是仿真尺寸中没有包括馈电部分的详细尺寸。5双部分天线轴线具有用方向图的仿真出现通过本天线设计、仿真及加工测试,验证了双圆锥天线所具有的超宽带特性。其在垂直极化工作时,水平面具有较好的全向方向图;结构简单,具有较高的增益。虽然该天线的结构及设计均非常简单,但要做到较大的增益及较好的全向方向图,并不容易。此外在增益较大时,其固定及密封也需要非常关注,否则成形后的天线方向图及增益都会变坏。加工调试时需要关注两点:1必须保证双圆锥的顶点在一条线(同心)。仿真时发现:双圆锥同心度给定的一个不大的误差,VSWR从1.3上升到1.7。这一方面使