双锥天线beta1

双锥天线背景原理性能特点应用，设计双锥天线最早由谢昆诺夫提出并作为研究天线辐射特性的模型，由于具有良好的宽频带特性而得到了广泛的研究与应用。近年来，超宽带（Ultra-wideband）技术的兴起要求系统天线在很宽频带内辐射特性不变，在有关超宽带天线的文献中双锥天线是最受欢迎的天线形式之一。用简单的办法扩展电偶极子天线的带宽，其一是增加电偶极子的导线直径，其二是进一步扩展这一思路，用直径渐变的导线去替代电偶极子的辐射体，形成双锥结构，即本组研究的双锥天线，能大大扩展天线带宽。首先研究理想化的双圆锥天线，然后讨论几种实用的变形天线。无限长双锥天线有限长双锥天线盘锥天线无限长双锥天线一金属导线与z轴之夹角为绕z轴旋转一周形成图1所示的无限长金属双圆锥。两个顶点之间的间距h为无限小，在顶点处双圆锥互相绝缘。用射频信号源接于两顶点之间，在金属圆锥面上产生电流，并向空间辐射电磁波。图1所示结构即无限长双圆锥天线。hHφθhzrJVEθhh图1分析表明，该结构可以看成是无限长圆锥传输线，传输的主模是TEM球面波。空间中仅存在Hφ和Eθ两个场分量。由可得0)sin(sin1rEjHrEjrHrr)(1(1)(2)EjH由式（1）看到sin1H双锥可视为球面波的波导，把磁场写成如下形式rjkrHH)exp(sin40把式(4)代入式(2)得到rjkrHjkrrHrjE)exp(sin4)exp(sin400式(5)就是，满足，所以是TEM模。(3)(4)(5)HE场分量随θ的变化为sin1因此归一化辐射方向函数为sinsin)(hF方向图如图2所示θhzVF(θ)1图2.无限长双圆锥天线归一化方向图hh为了求解天线输入阻抗，首先必须确定端电压和端电流。参见图1，电压等于Eθ沿着r=常数的路径积分)2ln(cot)exp(2sin1)exp(4)(00hjkrHdjkrHrdErVhhhh)cotcsclncsc(cxxxdx(7)磁场在导体表面的边界条件为，于是jkreHrHdrHrI2002sin2sin)(由式（7）和式（8）得到任意r处的圆锥传输线特性阻抗为))2ln(cot()()(0hrIrVZ(8)(9)可以看到Z0与径向坐标r无关，因此，Z0也是馈电点r=0的阻抗，即天线输入阻抗。式(9)是一个实数，与频率无关，所以理想情况的无限长双圆锥天线是一种超宽带天线。HJS无限长双锥结构的特性阻抗随锥体半张角的变化如图示。半张角愈大，特性阻抗愈小。张角约67º时，其输入阻抗约50Ω实际应用中的双锥天线不可能是无限长的，有限长双锥天线如右图所示。天线包含于半径为h的假象球体中，TEM主模与双锥末端产生的高次模同时存在。天线电抗主要是由高次模引起的。此外，双锥末端还存在电流的反射波从而导致驻波，这便导致了输入阻抗的复杂变化。有限长双圆锥天线设法增大上图中的半顶角，可望降低输入阻抗的电抗部分，并且会使带宽增加。同时使得输入阻抗的实部对于频率的变化不敏感。h对天线设计者来说，锥体的终端是如何设计是富于挑战性的。一种办法就是使得它的长度相对于工作波长相对长，D.McNamara和他的同时发现直径为一个波长、的双锥在6:1的宽带范围内有良好的匹配。结构如图：60h盘锥天线若有限长的双锥天线的一个锥用盘状导电平板代替，则有限长双锥天线就变成了盘锥天线，如右图。显然，盘锥天线是在双锥天线的基础上发展而来的。它像垂直振子天线那样辐射垂直极化波，并且是在水平面内辐射均匀的全向天线。盘锥天线在相当宽的频率范围内提供令人满意的方向图和阻抗特性，例如可以在5：1的频率范围内保持驻波比VSWR≤1.5在方向图参数满足常规要求的前提下，可以设计出具有宽带阻抗特性的盘锥天线，标称值是50Ω。相对于中心波长λ，典型的尺寸是DDBHh,25,4.0,6.0,7.01例如，中心频率为1GHz（λ=30cm）的盘锥天线，方向图如下图所示。这时其尺寸分别为27]/)2/arcsin[(,64.03.19,71.03.21HBcmBcmHh从图中可以看到其带宽达3：1。在低频段，无线尺寸相对于波长较小，其方向图与短振子天线相差不大（见图3-17a）。随着频率的增加，导电圆盘的电尺寸增大，辐射被较多的限制在下半空间（见图3-17b）。当频率再增大，天线的性能便接近无限长双锥的性能。例如，当频率是1500MHz，方向图（图3-17c）非常接近于图1中无限长双锥之一对辐射的贡献。导电圆盘的尺寸对方向图的影响很大：尺寸太大，将使上半空间的场强减弱，这与圆盘上的单极子天线类似；尺寸太小，趋向于破坏天线的宽频带特性。盘与锥之间的距离δ对方向图无显著影响，可以依据频率而定。