折叠小型化超宽带单锥天线设计

何昱燃，陈 星

（四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065）

0 引 言

随着现代移动通信系统的发展，要求通信设备具有更宽的带宽、更小的尺寸以及全向辐射特性[1-3]。双锥天线是一款具有较宽带宽、良好的全向辐射特性的天线[4]。但是双锥天线因为其尺寸较大，在很多实际工程应用中受限，所以通过镜像法演化而来的单锥天线可以在满足双锥天线辐射特性的同时，具有较小的尺寸[5]。

为了实现单锥天线的超宽带和小型化，文献[6]通过末端加载以及在单锥天线周围加载环形金属套筒，天线的 整 体 尺 寸 为0.33λmin×0.33λmin×0.072 5λmin，实 现 了114%的阻抗带宽，但是金属地的尺寸达到了0.75λmin。文献[7]通过加载金属圆盘以及增加正交臂和环形槽，将天线的高度由100 mm 降低到30 mm，天线实现了148%的阻抗带宽，但是金属地的大小仍有300 mm。文献[8]通过折叠技术改变了地板的尺寸，地板尺寸为0.51λmin，实现了62.8%带宽，天线的整体尺寸达到了37.8 mm×50 mm×60 mm。除此之外，介质加载是一种常见的实现小型化的方式，也是一种容性加载，因为这种方式增加了天线的辐射主体和底面金属地之间的容值。文献[9]中提出了一种用介电常数9.0的介质加载的单锥天线，天线地缩减了55.2%，实现了106.3%的阻抗带宽。文献[10]提出了一种加载短路金属柱的方式，这是一种感性加载，由传输线的等效模型可知，短路金属柱可以看作是一个电感元件，通过在单锥天线周围加载短路金属柱，以0.068λmin的剖面实现了100%的带宽。因此对于单锥天线设计，一般都是顶部加载和短路加载混合使用[11-15]。

本文提出了一种新的单锥天线结构，通过阵子折叠实现天线的小型化，同时在天线顶部进行加载，选取表面电流较强的边缘加载十字型的金属面，增加了电流的流动路径，在保持天线原本特性的同时，具有更低的剖面。然后在天线周围加载圆柱形的金属套筒，有效地改善了在高频时的阻抗匹配，进一步拓展了天线的带宽，而且天线的金属地大小仅为0.236λmin，在室内基站、无人机机载通信上有较为广泛的应用。

1 设计原理

调节单锥天线的输入阻抗，是设计单锥天线的关键所在。对于单锥天线的输入阻抗可以用以下的解析式计算得到：

式中：

其中：β/α的物理意义是天线反射的电磁波振幅和向外传播的电磁波振幅之比；pn是n阶勒让德多项式；bn是第二类球汉克尔函数。

由上述公式可知，通过锥角θ0以及母线长度l可以计算出天线的输入阻抗，同时给定工作频率的天线尺寸也可以通过上述公式计算出来。

2 设计思路

本文提出的天线是由交叉双锥天线变形而来，通过折叠阵子实现天线的小型化，进一步通过镜像法使得天线由双锥天线变成单锥天线实现天线的低剖面，通过顶端容性加载和短路金属柱的感性加载，调节天线的输入阻抗，实现天线的小型化，在天线周围加载圆柱形的金属套筒，进一步拓展天线的带宽，实现了小型化超宽带单锥天线的设计。天线结构的演化过程如图1所示。

图1 天线结构的演化过程

3 天线结构设计与分析

天线结构如图2 所示，具体的参数如表1 所示。天线主要由金属地板、辐射主体、圆柱形套筒、顶部的十字型加载以及4 根金属柱组成。金属地板的大小仅为0.236λmin，辐射主体是由2 个四棱体正交组成，通过调整四棱体斜边的夹角a，调节天线的阻抗匹配。天线的辐射主体的厚度为1 mm，十字形加载的金属板、圆柱形套筒及金属地的厚度均为0.5 mm。

图2 天线结构和尺寸

表1 天线的主要结构参数 mm

末端加载主要是通过调节天线在低频处的输入阻抗。如图3 所示，在低频处，未进行末端加载的天线输入阻抗变化较为剧烈，在末端加载后，顶部加载结构和底面金属面之间形成了分布电容，有效改善了天线在低频处的输入阻抗，变化较为平缓。因此，在低频处产生了新的谐振点，降低了低频的截止频率，改善了天线在低频段的阻抗匹配。

图3 是否有顶部加载的输入阻抗对比

加载圆柱形套筒，可以有效改善天线高频处的阻抗匹配。这种技术本质上是电抗加载，因为这种方式增加了天线辐射主体和底面金属地之间的电容，是一种容性加载。通过这种容性加载，可以有效改善天线高频处的阻抗匹配，可以进一步地拓展带宽。如图4 所示，天线在没有进行任何加载时，在2.41～6.04 GHz 的频率范围内，VSWR＜2；天线只进行了末端加载时，在1～4.94 GHz的频率范围内，VSWR＜2；天线在既有末端加载也有圆柱形套筒加载时，在1～7.65 GHz 的频率范围内，VSWR＜2。因此通过在末端加载十字型的金属面和加载圆柱形的金属套筒，既改善了低频处的阻抗匹配，又改善了高频处的阻抗匹配，实现了天线的小型化和超宽带。

图4 不同加载结构的VSWR 曲线图

仿真结果表明，套筒的高度明显影响天线的性能，套筒的高度越大，在高频处天线阻抗变差，但是对低频没有任何影响，经过仿真分析最后确定了套筒高度为6 mm。圆柱形套筒高度对VSWR 的影响如图5 所示。

图5 圆柱形套筒高度对VSWR 的影响

4 天线仿真及实测结果

天线的实物图如图6 所示，在天线顶部十字型金属面和底面金属面之间用尼龙螺钉固定，用SMA 接头馈电。利用矢量网络分析仪N5230A 测试了天线的VSWR曲线，如图7 所示。可以看到实际测试的VSWR 曲线和仿真曲线基本吻合，实现了在1～7.65 GHz 的频带范围内，VSWR＜2，具有良好的超宽带性能。

图6 天线实物图

图7 VSWR 曲线图仿真与实测对比

除此之外，还测量了天线的远场方向图，测试场景如图8、图9 所示。分别取1 GHz、3 GHz、5 GHz、7 GHz等几个典型频点测量了其水平面和俯仰面方向图，测试结果和仿真结果较为一致，但是由于在测试过程中天线摆放位置的原因，导致了实际测试过程中产生了一定的误差。

图8 不同频率下天线俯仰面方向图仿真与实测对比

图9 不同频率下天线水平面方向图仿真与实测对比

5 结 语

本文提出了一种新型的单锥低剖面全向天线，天线主体是由交叉偶极子构成，通过末端加载十字型金属板和在四周加载短路金属柱，实现了天线的小型化，通过添加圆柱形的金属套筒，进一步拓展了天线的带宽。天线的尺寸为0.1λmin×0.1λmin×0.1λmin，金属地的大小仅为0.236λmin。在天线的设计过程中，通过调节四棱体斜边的角度调节天线的输入阻抗，验证了加载套筒拓展天线带宽的可行性。最后加工制作测试了天线的实物，实测结果与仿真结果吻合较好，天线在1～7.65 GHz 的频率范围内，VSWR＜2。同时取典型频点测试其远场方向图，表明天线具有较好的全向辐射特性。这种天线在无人机机载以及移动通信基站中有广泛的应用。