一种短波宽带天线的小型化设计

1 引言

扇锥天线是一种性能优越的短波宽带天线，广泛应用于广播、海事交通等通信领域。但当其使用频率较低时，占地面积较大。因此，对于其低频使用时的小型化设计很有必要。通过有效的加载手段，使其既能满足阻抗匹配特性，同时又能满足通信性能的需要。

2 天线形式及性能分析

理想的双锥天线具有任意的频带特性。双锥天线工作频带的最高工作频率取决于激励区的几何尺寸，而最低工作频率取决于天线臂的长度。天线的全长取最低工作频率的半个波长时，一般在10个倍频的范围里能有良好的阻抗频率特性。这在客观上决定了工作频率下限越低的天线具有更大的跨距和占地面积。

双锥天线的特性阻抗为：

其中，为锥的顶角。例如，Z₀=300Ω时， =18.77º，这种情况是适用阻抗为300Ω的双极馈电天线。在短波波段，由于使用频率较低，锥形天线尺寸较大，因此往往简化为线栅型圆锥结构。水平架设时，又将天线简化为扇锥结构，如图1所示。

选择合理的扇锥的扇面角、张角、导线数量、激励区尺寸等参数可获得较宽的带宽。

图1 扇锥天线示意图

3 扇锥天线仿真计算

双锥天线可以用解析法进行分析，很多文献也做了详细的介绍。对于扇锥天线严格地推导计算过于复杂，可用矩量法来进行计算。本文用FEKO电磁仿真软件对数值计算结果进行验证。设计一付扇锥天线，频率范围2MHz-30MHz，支撑塔距76米。天线架设在实际地面上，地参数取ε_r=15，δ=0.01。

扇锥天线导线数量11根，扇锥面角25度，天线张角100度。

3.1 扇锥天线方向性计算结果

2MHz垂直面方向图

2MHz水平面方向图（Δ=最大方向）

16MHz垂直面方向图

16MHz水平面方向图（Δ=最大方向）

30MHz垂直面方向图

30MHz水平面方向图（Δ=最大方向）

天线方向性的FEKO软件计算结果与文献中提供的数值计算结果基本吻合。水平面全向性能良好。垂直面最大方向性增益大于5dB。

3.2 天线与300Ω平行双线匹配情况（电压驻波比）

天线与300Ω匹配电压驻波比

4 扇锥天线的小型化设计

以上是全尺寸扇锥天线性能的基本介绍，正如前面引言和天线形式及性能分析中介绍的，天线的跨距决定于最低工作频率的波长。频率越低，波长越长，相应的占地面积就越大。这在越来越紧张的用地资源情况下实现起来是相对困难的。因此，需要有一种既能保证原有天线性能，又能明显减小天线尺寸的方法来解决这个问题。

设计一付扇锥天线，频率2MHz-30MHz，支撑塔距53米。天线架设在实际地面上，地参数取ε_r=15，δ=0.01。扇锥天线导线数量11根，扇锥面角25度，天线张角100度。

4.1 天线未加载时计算数据

4.1.1 天线电压驻波比

Frequency[MHz]

未加载天线与300Ω匹配电压驻波比

4.1.2 天线阻抗数据

未加载天线阻抗曲线

4.2 天线加载后计算数据

通过以上数据可以看出，当缩短天线跨距后，天线低频段阻抗的实部明显降低，虚部呈现较大的感性。必须通过有效的加载，使天线低频段达到匹配的状态。

我们在天线顶部振子末端加载一段振子线，具体形式如图2所示，通过不断优化该加载线的长度，以调整天线低频段阻抗的实部。通过在馈电端加载一个电容器件，有效地调整天线阻抗的虚部。最终使低频段达到阻抗匹配的条件。

图2 天线加载示意图

4.2.1 天线方向性计算结果

2MHz垂直面方向图

2MHz水平面方向图（Δ=最大方向）

16MHz垂直面方向图

16MHz水平面方向图（Δ=最大方向）

30MHz垂直面方向图

30MHz水平面方向图（Δ=最大方向）

加载后的方向性结果与原尺寸设计性能相比，不圆度有细微变化，但水平面全向性能仍然良好。垂直面最大方向性增益大于5dB。

4.2.2 天线电压驻波比

加载天线与300Ω匹配驻波比曲线

4.2.3 天线阻抗数据

加载天线阻抗曲线

5 天线原尺寸设计与小型化设计后性能比较

两种天线性能比较详见下表1。

表1 两种天线性能比较表

天线形式	频率范围	跨距	电压驻波比	最大方向增益
原尺寸设计	2MHz-30MHz	76米