一种超宽频带双圆锥全向天线的设计

一种超宽频带双圆锥全向天线的设计3

汪　漪,徐　勤,吴志峰33

(南京船舶雷达研究所,江苏南京210003)

摘　要:介绍了一种可工作于0.8～16GHz的超宽带双圆锥全向天线的工作原理、设计参数及其对电性能的影响,给出了该天线工作于X波段的具体结构尺寸以及VS WR、辐射方向图的仿真和测试数据曲线,以及此天线在0.8～16GHz范围内的VS WR的测试数据曲线,并提出了一些设计此天线的关键点。结果表明,此天线具有频带宽、全向均匀性好、增益大、结构简单等优点,可广泛应用于高低功率的雷达、通讯中的全向天线。

关键词:雷达;双圆锥全向天线;X波段

中图分类号:T N823.15　文献标识码:A　文章编号:1009-0401(2005)01-0025-03 Design of an ultra2wideband biconical o mni2directi onal antenna

WAN G Yi,XU Q ing,WU Zhi2feng

(N anjing M arine R ada r Institu te,N an jing210003,China)

Abstract:The operating p rinci p le of an ultra2wideband biconical omni2directi onal antenna operating within0.8～16GHz is p resented in this paper.And its design para meters and influence on the electri2 cal p r operties are als o p r oposed.The structural size of the antenna operating at X2band and the si m ula2 ti on and test data curves of the VS WR and the radiati on pattern are p resented.The test data curve of the VS WR of the antenna operating within0.8～16GHz are als o p resented,and s ome key points of an2 tenna design are given.The results show that this antenna possesses the advantages of wide2band,good omni2directi onal unifor m ity,high gain and si m p le structure,and may be widely app lied in the omni2di2 recti onal antennas of high/l ow power radars and communicati ons.

Key words:radar;biconical omni2directi onal antenna;X2band

1　引　言

通常,天线工作的最高频率和最低频率之比大于10,则被认为是超宽频带天线。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TE M波。

也可以用圆波

图1　超宽带双锥全向天线典型结构

导E

01

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

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雷达与对抗 2005年 第1期

3 33收稿日期:200421128

作者简介:汪漪(1979-),男,安徽芜湖人,南京船舶雷达研究所助理工程师,现从事雷达天线研发工作。

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　天线设计

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)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

。

图2　超宽带双圆锥全向天线外形结构图上述结构图中,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)-L e 其中L e 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=2L

λ。在最佳尺寸比例的增益为:G =5Log L /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 2<0.5=20°

3　实际天线的仿真设计计算

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　双圆锥全向天线建模示意图

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VS WR 曲线见图4。

再仿真8～12GHz 这一频带,VS WR 曲线如图5所示。

由上图可知,在需要工作的频段内,VS WR 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VS WR 的值,调整和优化后的VS WR 曲线图如图6所示。

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