基本介紹
- 中文名：錐形天線
- 介質：介質錐體
- 特點：增益好
- 類型：超短波天線
簡介,圓錐對數螺旋天線,結構方程,加工工藝,優點與特性,雙錐天線,無限長雙錐天線,有限長的雙錐天線,盤錐天線,優點總結,
簡介
隨著科學技術的飛速發展和人們生活日益現代化，對電子技術的套用提出了更高的要求。許多設備都要求寬頻化、共用化。天線是輻射和接受電磁波的部件，是無線電系統中重要的組成部分。沒有天線，就不可能建立起任何無線電系統，這是眾所周知的常識。因此，與無線電設備發展趨勢相適應，寬頻帶全向天線的研究也日益活躍，成為天線學科研究領域中的一個重要分支。寬頻帶全向技術的原理、方法主要體現在寬頻帶全向天線的套用中。
按天線原理來分類，可把天線分為線天線和口徑天線兩大類。線天線顧名思義是由導線組成，導線的長度比橫截面大得多，一般用在長、中、短波。口徑天線則由整塊金屬板或導線柵格組成天線面，它的面積比波長的平方大得多，一般是用在微波波段。
錐形天線就是線天線的一種，這種天線可以同時在兩個頻率上工作。錐形天線的特點是增益好，但是由於其天線較高，並且在水平方向上不對稱，天線相位中心與幾何中心不完全一致。因此，在安置天線時要仔細定向並且要給於補償。
圓錐對數螺旋天線
圓錐對數螺旋天線屬於非平面結構的螺旋天線，是一種典型的寬頻、圓極化天線，不用反射腔或反射面就可以獲得單方向輻射，天線的輻射方向主要朝向圓錐的頂端方向。對數螺旋天線除了超寬頻特性外，還具有諸多優點: 尺寸小、方向圖前後比好、增益恆定及寬角軸比好。
圓錐對數螺旋天線結構
圓錐對數螺旋天線結構結構方程
圓錐對數螺旋天線的結構與幾何特徵即單向輻射特性，可以將等角螺旋繞在一個半錐角為
的圓錐上，這樣就構成了圓錐對數螺旋天線，如右圖所示。圓錐對數螺旋的曲線方程是
或寫成
式中，b = αsin = sin / tanα。r 是從圓錐頂點發出的沿錐面的矢徑，α 是螺旋的切線與圓錐母線間的夾角稱螺旋角。與平面等角螺旋相似，b 為常數。當螺旋線從始端(
，
= 0) 展開，α 角始終保持不變，所以這種螺旋也是一種等角螺旋線。由於 r 的對數與方位角 φ 之間有著簡單的線性關係，因此，這種螺旋天線又稱為圓錐對數螺旋天線。顯然，當 = 90°時就退化為平面等角螺旋天線了。
加工工藝
圓錐對數螺旋天線的加工工藝方法主要有: 曲線掩模法、微帶粘接法和雷射立體掃描曝光成像法。為保證加工精度，本文採用納米材料沉銅的工藝，在玻璃鋼錐體上製作出螺旋線條。其主要加工過程為: 採用五軸加工中心，將化學鍍催化預塗液按照螺旋線的形狀，均勻塗布於玻璃鋼表面，然後進行化學鍍銅。
優點與特性
該天線具有的優點概述如下:
1) 具有寬頻帶、圓極化特徵；
2) 天線尺寸相對較小。在 2 ～ 6GHz，天線的尺寸可以做到 Φ50mm 以內；
3) 在工作頻寬內天線的方向圖比較恆定，隨頻率變化很小，並且方向圖具有軸對稱性，單元在60度時有0dB左右的覆蓋電平。
前人通過大量的理論和試驗研究表明對數螺旋天線具有以下特性：增加 α 角（更緊湊的螺旋）或者減小圓錐角 （更長的天線），那么波束寬度將減小，方向性會增加。輻射方向圖與錐角 有很大關係，當 = 90°時，即為平面等角螺旋天線，呈雙向輻射特性。隨著 的減小，單向輻射特性逐漸顯著，主波束沿錐頂方向突出。在方向圖的很寬角度內，輻射場是近似圓極化的。
圓錐對數螺旋天線從頂部饋電到工作區是一慢波結構。在工作區內天線變成快波結構，向圓錐頂方向輻射一個背射方向圖。由於圓錐上的螺旋輻射是單方向的，所以只有一個方向的圓極化。圓錐對數螺旋天線的有效輻射區基本上在周長約為一個波長的區域內，當頻率變化時，有效輻射區沿軸向前後移動，頻率高時向錐頂方向移動，頻率低時則向錐底方向移動，使天線具有寬頻特性。工作頻寬主要是受到圓錐錐頂和錐底直徑的限制。
雙錐天線
可以用簡單的辦法擴展電偶極子天線的頻寬，其一是增加電偶極子的導線直徑，其二是進一步擴展這一思路，用直徑漸變的導線去替代電偶極子的輻射體，形成雙錐結構，能大大擴展天線頻寬。
雙錐天線
雙錐天線旋轉對稱結構的錐形天線。加粗圓柱對稱振子的直徑，雖然可以改善阻抗的頻率特性，但由於圓柱振子的特性阻抗沿其軸向是變化的，因此當電流波離開饋電點沿線傳播時，就會因特性阻抗的改變而引起部分的反射，因而阻抗頻寬的改善也是有限的。為了使振子沿線各點的特性阻抗互處處相等，就要求天線各點到饋電點的距離與直徑之比保持不變。也就是說隨著距離的增加，振子的直徑相應加粗，即展開成結構漸變的旋轉對稱的雙錐天線。由於終端反射而不具有與頻率無關的特性，但相對於圓柱振子天線而言，其工作頻寬仍有明顯的改善。
無限長雙錐天線
從理論上講，無限長的雙錐天線可以得到輸入阻抗、方向圖均與頻率無關的特性。且其旋轉對稱結構使它具有水平全向的特點。金屬導線與z軸之夾角為
，繞z軸旋轉一周形成右圖所示的無限長金屬雙圓錐。兩個頂點之間的間距h為無限小，在頂點處雙圓錐互相絕緣。用射頻信號源接於兩頂點之間，在金屬圓錐面上產生電流，並向空間輻射電磁波。右圖所示結構即無限長雙圓錐天線。該結 構可以看成是無限長圓錐傳線，無限長雙圓錐天線傳輸的主模是TEM球面波。空間中僅存在
和
兩個場分量，
無限長雙錐天線
無限長雙錐天線任意r處的圓錐傳輸線特性阻抗為：
其中
，可以看到任意r處的圓錐傳輸線特性阻抗
與徑向坐標r無關，因此，也是饋電點的阻抗，即天線輸入阻抗。 是一個實數，與頻率無關，所以無限長雙圓錐天線是一種超寬頻天線。
有限長的雙錐天線
實際天線總是有限長的，需要用適當方式把無限長雙錐天線截斷，變成有限長雙錐天線。截斷的直接結果是在截斷處產生反射，並產生高階模，輸入阻抗變為複數，出現了輸入電抗。如何準確描述有限長雙錐天線，特別是電長度很小的雙錐天線，是設計和改善天線性能的前提。此種天線的演變過程玎認為是由無限大雙錐天線演變成有限大雙錐天線，再演變成下半個錐體用無限大金屬平面代替，最後演變為有限大金屬平面上的倒錐形天線。
在工程中使用的天線不可能是無限長，由於用環境限制，特別是在頻率較低時，其電長度比較小。電長度小使得圓錐天線的輻射電阻降低，並且輸入阻抗不再是純電阻。當天線電長度趨於零時，天線的輻射電阻趨於零，輸入電抗趨於無限大。使得天線頻寬變窄，匹配困難，效率降低。為了改善天線性能就需要對輸入電抗進行補償。
對於電偶極子天線，常用的補償方法有：電阻載入、電容載入、連續載入和集總載入、網路載入、介質載入等。尺寸很小的圓錐天線也屬於電偶極子天線類型，S.S.Sandler和R.W.P.King給出的方法是在天線饋電口接一段適當長度的傳輸線，使“傳輸線/天線”構成的系統諧振，從而得到純電阻輸入阻抗。要求傳輸線的電長度為：
其中
是天線輸入阻抗，
是天線特性阻抗。Sandler和King的計算結果表明，對任意一副天線，工作頻率不同所需的電長度
也不一樣，大體上隨頻率周期性變化，變化範圍為π/2≤ ≤3π/2。這樣一來，在超寬頻系統中，天線要始終保持輸入阻抗為純電阻是很難的，或者說只能在較小的範圍內保持輸入阻抗為純電阻。
有限長的雙錐天線能很好的滿足方向圖、增益及駐波等指標要求。這種天線還有一個很大的優勢是結構簡單，易於加工，耐功率性能也很好，體積和重量均不大，易於安裝、拆卸和運輸，有很高的工程實用價值。
盤錐天線
盤錐天線盤錐天線是一種具有寬頻帶、線極化特性的全向天線。這種天線是由一個導體圓盤和一個導體圓錐構成的，該天線可以被看成雙錐天線的變形，即把雙錐天線的其中一個圓錐振子改成圓盤後就形成了盤錐天線。圓盤的中心與饋電同軸電纜的內導體相連，圓錐的錐頂與同軸線外導體相連。其結構如右圖所示。
盤錐天線由於其結構的對稱性，因而在與其對稱軸相垂直的面內，方向圖是一個圓。或者說，在水平面內其輻射是全相性的。其垂直面內方向圖在低平端與普通電偶極子天線相似，這是因為頻率低時圓盤電尺寸小，對方向圖影響不大。當頻率升高時，由於盤的“禁止”作用，使得最大輻射方向偏離θ=90º、方向而向下偏移，從而導致天線在水平方向的方向性係數下降。
雙錐天線波束寬度與盤錐天線的較近似，但由於盤錐天線的盤是有限尺寸的，因此在頻段的頻率高端將會對電波的輻射起到一定的“禁止”作用，使盤錐天線的最大輻射方向向下偏移，其最大輻射方向可以按照以下經驗公式進行估算：
盤錐天線的寬頻帶特性得益於它非對稱的激勵方式和它軸對稱的幾何結構。如果將盤錐結構的盤和錐分別看成是兩個單極子，則這兩個單極子的輸入阻抗是不同的。整個天線的輸入阻抗可以看成是這兩個單極子的輸入阻抗的串聯。只要設計合理就可以使這兩個單極子的輸入阻抗隨頻率的變化起到互補的作用，從而在所設計的工作頻帶內保持整個天線輸入阻抗隨頻率變化不是太大。 將盤錐天線近似作為一個上錐體半張角θ=90º、下錐體半張角為θº的雙錐天線來分析，它具有很低的特性阻抗。盤錐天線的特性阻抗近似為：
由上式可以看出盤錐天線的特性阻抗明顯低於普通振子天線，其阻抗頻率特性也就明顯地優於普通振子天線。
優點總結
錐形天線包括圓錐對數螺旋天線、雙錐天線、有限平面倒錐天線、盤錐天線等其它結構天線。
圓錐對數螺旋天線具有寬頻帶、圓極化特徵，天線尺寸相對較小。在 2 ～ 6GHz，天線的尺寸可以做到Φ50mm 以內，在工作頻寬內天線的方向圖比較恆定，隨頻率變化很小，並且方向圖具有軸對稱性，單元在60 度時有 0dB 左右的覆蓋電平。圓錐對數螺旋天線尺寸小、方向圖前後比好、增益恆定及寬角軸比好。
雙錐形天線由兩個錐頂相對的圓錐體組成，在錐頂饋電。圓錐可以用金屬面、金屬線或金屬網構成。正象籠形天線一樣，由於天線的斷面積增大，天線頻帶也隨之加寬。雙錐形天線主要用於超短波接收。 錐角大的雙錐天線，或由它演變而成的盤錐天線，屬於寬頻天線之列，它們在VHF和頻段都獲得了廣泛的套用。有限長的雙錐天線能很好的滿足方向圖、增益及駐波等指標要求，還有一個很大的優勢是結構簡單，易於加工，耐功率性能也很好，體積和重量均不大，易於安裝、拆卸和運輸，有很高的工程實用價值。
盤錐形天線是一種超短波天線。頂部為一圓盤（即輻射體），由同軸線的心線饋電，下面為一圓錐，接同
軸線的外導體。圓錐的作用與無限大的地面相似，改變圓錐的傾斜角度，就能改變天線的最大輻射方向。它有極寬的頻帶。
軸線的外導體。圓錐的作用與無限大的地面相似，改變圓錐的傾斜角度，就能改變天線的最大輻射方向。它有極寬的頻帶。
