应用于宽带电磁环境监测系统的超宽带全向天线及设计方法

技术领域

本发明涉及电磁兼容与天线技术领域，尤其涉及一种应用于宽带电磁环境监测系统的超宽带全向天线及设计方法。

背景技术

随着科学技术和社会经济的迅速发展，无线电通信设备的种类和数量大量增加，电磁环境变得日益复杂，使原本有限的无线电频谱资源也变得更加拥挤，给频谱资源的监测与管理带来了新的困难与挑战。在现有电磁环境日益复杂的情况下，不论在民用还是军用领域，无线电监测设备的工作频率不断向微波频段扩展，因此提高无线电监测设备的性能，实现对超短波、微波全频段无线电信号的监测十分必要。

天线作为监测设备获取信号的前端，是决定设备性能的关键，使天线实现宽带化、便携化有着重大意义。而传统的无线电监测天线由于其监测频段窄、增益低、精度差等限制，已无法满足对无线电监测的要求。这使得对宽带监测天线的开发与研究越来越受到重视。

显然，对于当今无线电监测发展来说，传统形式的天线已不能满足要求，具备宽带化、轻量化、高精度的天线，才能够符合当今无线电管理的标准。

在对已开展的超宽带全向天线研究进行总结，发现超宽带全向天线主要采用单极子天线、偶极子天线、双锥天线等形式。其中以单极子天线的结构最简单，而且立体单极子天线具备有优异的全向性能。本发明给出的可应用于宽带电磁环境监测系统的超宽带全向天线采用立体单极子结构，在对立体曲线结构进行优化设计后，天线具备非常优异的全向特性，克服了平面单极子的不圆度特性不佳的缺点；而且该天线增益平坦，可降低系统的整体动态范围；而且体积小，具备便携性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种应用于宽带电磁环境监测系统的超宽带全向天线及设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种应用于宽带电磁环境监测系统的超宽带全向天线，该天线包括：辐射体、金属地板、同轴馈电结构和馈电探针；其中：

辐射体为基于渐进圆锥的偶极子结构；辐射体的渐进圆锥横截面分为圆弧段和圆锥段；圆弧段为中空结构，中空部分分为上下两部分，上部为等腰梯形，下部为矩形；圆锥段为等腰梯形，其较长的底边与圆弧段相连，较短的底边为中心锥尖，中心锥尖与金属地板相连；

圆锥段的对称轴处设置有缝隙，缝隙内设置有同轴馈电结构，同轴馈电结构一端与金属地板相连，另一端设置有馈电探针，馈电探针延伸至圆弧段的中空结构内；

同轴馈电结构由辐射体的中心锥尖位置引出，通过调整同轴馈电结构中的馈电探针长度，调整天线的匹配状态和辐射状态。

进一步地，本发明的辐射体的圆弧段、圆锥段、圆弧段内部的等腰梯形、矩形的对称轴均共线；且同轴馈电结构设置在该对称轴的位置。

进一步地，本发明的采用三维电磁仿真软件HFSS对天线的结构尺寸进行优化仿真。

本发明提供一种应用于宽带电磁环境监测系统的超宽带全向天线的设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、对天线辐射体的偶极子结构进行初始参数设计；

步骤2、在三维电磁仿真软件HFSS中创建初始天线模型，进行仿真；

步骤3、根据天线表面电流分布情况，设置馈电探针的参数扫描区间，进行参数扫描；

步骤4、根据参数扫描结果，确定天线最优尺寸。

进一步地，本发明的步骤1中进行初始参数设计的方法为：

偶极子的电流分布近似为：

I(z)＝I

式中，l为偶极子单臂的长度，z为测试点的位置，I

式中，β为相位常数，l为偶极子单臂的长度，θ为方位角。

进一步地，本发明的步骤4中确定的天线最优尺寸为：

L

其中，L

本发明产生的有益效果是：本发明的应用于宽带电磁环境监测系统的超宽带全向天线及设计方法，可解决传统的前端接收天线带宽窄、重量大的问题，兼具高性能和便携性；该天线具备超宽带特性；该天线在宽频段内具有很好的全向方向特性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的超宽带全向天线的驻波比；

图3是本发明实施例的超宽带全向天线在典型频点上的E面和H面的仿真方向图；

图4是本发明实施例的超宽带全向天线不圆度的仿真结果；

图5是本发明实施例的天线增益的仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的应用于宽带电磁环境监测系统的超宽带全向天线，该天线包括：辐射体1、金属地板2、同轴馈电结构3和馈电探针(4)；其中：

辐射体1为基于渐进圆锥的偶极子结构；辐射体1的渐进圆锥横截面分为圆弧段和圆锥段；圆弧段为中空结构，中空部分分为上下两部分，上部为等腰梯形，下部为矩形；圆锥段为等腰梯形，其较长的底边与圆弧段相连，较短的底边为中心锥尖，中心锥尖与金属地板2相连；

圆锥段的对称轴处设置有缝隙，缝隙内设置有同轴馈电结构3，同轴馈电结构3一端与金属地板2相连，另一端设置有馈电探针4，馈电探针延伸至圆弧段的中空结构内；

同轴馈电结构3由辐射体1的中心锥尖位置引出，通过调整同轴馈电结构 3中的馈电探针4长度，调整天线的匹配状态和辐射状态。

辐射体1的圆弧段、圆锥段、圆弧段内部的等腰梯形、矩形的对称轴均共线；且同轴馈电结构3设置在该对称轴的位置。

应用于宽带电磁环境监测系统的超宽带全向天线的几何结构如附图1所示。它由辐射体、金属地板和同轴馈电构成。辐射体部分基于渐进圆锥偶极子结构。单极子天线的方向性可使用以下方法进行计算。

偶极子的电流分布近似为：

I(z)＝I

式中l为偶极子单臂的长度，z为测试点的位置，I

式中，β为相位常数，l为偶极子单臂的长度，θ为方位角，单极子上的电流和电荷与其对应的偶极子的上半部分的电流和电荷分布相同，但其端电压只有偶极子的一半，这是由于其输入端的缝隙宽度只有偶极子的一半，而相同的电场在一半的距离上只能得到一半的电压。因此单极子的输入阻抗也只有相应偶极子的一半。在完全导电地平面上方的单极子的辐射方向图与在自由空间同样放置的偶极子的方向图一样，所以单极子的辐射功率只有对应的自由空间偶极子辐射功率的一半。因此单极子的方向系数是偶极子的两倍。

为了获得超宽带全向天线的最优性能，需对辐射体、馈电探针长度进行整体优化仿真，采用三维电磁仿真软件HFSS进行了结构尺寸的优化仿真。步骤如下：

(1)根据上式确定天线的初始尺寸；

(2)在HFSS中创建初始天线模型，进行仿真；

(3)根据天线表面电流分布情况，设置馈电探针的参数扫描区间，进行参数扫描；

(4)根据参数扫描结果，确定最优尺寸。

最终优化后的天线尺寸为：L

利用HFSS对优化设计后的超宽带全向天线的驻波比、方向图、不圆度和增益特性进行仿真。附图2给出了超宽带全向天线的驻波比，从图中可以看出该天线有23倍的阻抗带宽(0.8-18GHz)。附图3给出了超宽带全向天线在典型频点上的E面和H面的仿真方向图，附图4给出了超宽带全向天线不圆度的仿真结果。从附图3和附图4可以看出该天线在阻抗带宽内都具有非常好的全向性能。附图5给出了该天线增益的仿真图，可以看到天线全频段增益平坦，满足监测设备对天线前端的需求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。