[科普中国]-锥形天线

锥形天线是超短波天线的一种，因为外形为锥形被称为锥形天线。锥形天线是一类典型的宽频带全向天线，包括圆锥对数螺旋天线、双锥天线、有限平面倒锥天线、盘锥天线及其它结构天线。

简介随着科学技术的飞速发展和人们生活日益现代化，对电子技术的应用提出了更高的要求。许多设备都要求宽带化、共用化。天线是辐射和接受电磁波的部件，是无线电系统中重要的组成部分。没有天线，就不可能建立起任何无线电系统，这是众所周知的常识。因此，与无线电设备发展趋势相适应，宽频带全向天线的研究也日益活跃，成为天线学科研究领域中的一个重要分支。宽频带全向技术的原理、方法主要体现在宽频带全向天线的应用中。

按天线原理来分类，可把天线分为线天线和口径天线两大类。线天线顾名思义是由导线组成，导线的长度比横截面大得多，一般用在长、中、短波。口径天线则由整块金属板或导线栅格组成天线面，它的面积比波长的平方大得多，一般是用在微波波段1。

锥形天线就是线天线的一种，这种天线可以同时在两个频率上工作。锥形天线的特点是增益好，但是由于其天线较高，并且在水平方向上不对称，天线相位中心与几何中心不完全一致。因此，在安置天线时要仔细定向并且要给于补偿。

圆锥对数螺旋天线圆锥对数螺旋天线属于非平面结构的螺旋天线，是一种典型的宽带、圆极化天线，不用反射腔或反射面就可以获得单方向辐射，天线的辐射方向主要朝向圆锥的顶端方向。对数螺旋天线除了超宽带特性外，还具有诸多优点: 尺寸小、方向图前后比好、增益恒定及宽角轴比好。

结构方程圆锥对数螺旋天线的结构与几何特征即单向辐射特性，可以将等角螺旋绕在一个半锥角为 的圆锥上，这样就构成了圆锥对数螺旋天线，如右图所示。圆锥对数螺旋的曲线方程是

或写成

式中，b = αsin = sin / tanα。r 是从圆锥顶点发出的沿锥面的矢径，α 是螺旋的切线与圆锥母线间的夹角称螺旋角。与平面等角螺旋相似，b 为常数。当螺旋线从始端( ， = 0) 展开，α 角始终保持不变，所以这种螺旋也是一种等角螺旋线。由于 r 的对数与方位角 φ 之间有着简单的线性关系，因此，这种螺旋天线又称为圆锥对数螺旋天线。显然，当 = 90°时就退化为平面等角螺旋天线了。

加工工艺圆锥对数螺旋天线的加工工艺方法主要有: 曲线掩模法、微带粘接法和激光立体扫描曝光成像法。1为保证加工精度，本文采用纳米材料沉铜的工艺，在玻璃钢锥体上制作出螺旋线条。其主要加工过程为: 采用五轴加工中心，将化学镀催化预涂液按照螺旋线的形状，均匀涂布于玻璃钢表面，然后进行化学镀铜。

优点与特性该天线具有的优点概述如下:

1) 具有宽频带、圆极化特征；

2) 天线尺寸相对较小。在 2 ～ 6GHz，天线的尺寸可以做到 Φ50mm 以内；

3) 在工作带宽内天线的方向图比较恒定，随频率变化很小，并且方向图具有轴对称性，单元在60度时有0dB左右的覆盖电平。

前人通过大量的理论和试验研究表明对数螺旋天线具有以下特性：增加 α 角（更紧凑的螺旋）或者减小圆锥角 （更长的天线），那么波束宽度将减小，方向性会增加。辐射方向图与锥角 有很大关系，当 = 90°时，即为平面等角螺旋天线，呈双向辐射特性。随着 的减小，单向辐射特性逐渐显著，主波束沿锥顶方向突出。在方向图的很宽角度内，辐射场是近似圆极化的。

圆锥对数螺旋天线从顶部馈电到工作区是一慢波结构。在工作区内天线变成快波结构，向圆锥顶方向辐射一个背射方向图。由于圆锥上的螺旋辐射是单方向的，所以只有一个方向的圆极化。圆锥对数螺旋天线的有效辐射区基本上在周长约为一个波长的区域内，当频率变化时，有效辐射区沿轴向前后移动，频率高时向锥顶方向移动，频率低时则向锥底方向移动，使天线具有宽带特性。工作带宽主要是受到圆锥锥顶和锥底直径的限制。

双锥天线可以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，能大大扩展天线带宽。

旋转对称结构的锥形天线。加粗圆柱对称振子的直径，虽然可以改善阻抗的频率特性，但由于圆柱振子的特性阻抗沿其轴向是变化的，因此当电流波离开馈电点沿线传播时，就会因特性阻抗的改变而引起部分的反射，因而阻抗带宽的改善也是有限的。为了使振子沿线各点的特性阻抗互处处相等，就要求天线各点到馈电点的距离与直径之比保持不变。也就是说随着距离的增加，振子的直径相应加粗，即展开成结构渐变的旋转对称的双锥天线。由于终端反射而不具有与频率无关的特性，但相对于圆柱振子天线而言，其工作带宽仍有明显的改善。

无限长双锥天线从理论上讲，无限长的双锥天线可以得到输入阻抗、方向图均与频率无关的特性。且其旋转对称结构使它具有水平全向的特点。金属导线与z轴之夹角为 ，绕z轴旋转一周形成右图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。右图所示结构即无限长双圆锥天线。该结 构可以看成是无限长圆锥传线，无限长双圆锥天线传输的主模是TEM球面波。空间中仅存在 和 两个场分量，

任意r处的圆锥传输线特性阻抗为：

其中 ，可以看到任意r处的圆锥传输线特性阻抗 与径向坐标r无关，因此，也是馈电点的阻抗，即天线输入阻抗。 是一个实数，与频率无关，所以无限长双圆锥天线是一种超宽带天线。

有限长的双锥天线实际天线总是有限长的，需要用适当方式把无限长双锥天线截断，变成有限长双锥天线。截断的直接结果是在截断处产生反射，并产生高阶模，输入阻抗变为复数，出现了输入电抗。如何准确描述有限长双锥天线，特别是电长度很小的双锥天线，是设计和改善天线性能的前提。此种天线的演变过程玎认为是由无限大双锥天线演变成有限大双锥天线，再演变成下半个锥体用无限大金属平面代替，最后演变为有限大金属平面上的倒锥形天线。

在工程中使用的天线不可能是无限长，由于用环境限制，特别是在频率较低时，其电长度比较小。电长度小使得圆锥天线的辐射电阻降低，并且输入阻抗不再是纯电阻。当天线电长度趋于零时，天线的辐射电阻趋于零，输入电抗趋于无限大。使得天线带宽变窄，匹配困难，效率降低。为了改善天线性能就需要对输入电抗进行补偿。

对于电偶极子天线，常用的补偿方法有：电阻加载、电容加载、连续加载和集总加载、网络加载、介质加载等。尺寸很小的圆锥天线也属于电偶极子天线类型，S.S.Sandler和R.W.P.King给出的方法是在天线馈电口接一段适当长度的传输线，使“传输线/天线”构成的系统谐振，从而得到纯电阻输入阻抗。要求传输线的电长度为：

其中 是天线输入阻抗， 是天线特性阻抗。Sandler和King的计算结果表明，对任意一副天线，工作频率不同所需的电长度 也不一样，大体上随频率周期性变化，变化范围为π/2≤ ≤3π/2。这样一来，在超宽带系统中，天线要始终保持输入阻抗为纯电阻是很难的，或者说只能在较小的范围内保持输入阻抗为纯电阻2。

有限长的双锥天线能很好的满足方向图、增益及驻波等指标要求。这种天线还有一个很大的优势是结构简单，易于加工，耐功率性能也很好，体积和重量均不大，易于安装、拆卸和运输，有很高的工程实用价值。

盘锥天线

盘锥天线是一种具有宽频带、线极化特性的全向天线。这种天线是由一个导体圆盘和一个导体圆锥构成的，该天线可以被看成双锥天线的变形，即把双锥天线的其中一个圆锥振子改成圆盘后就形成了盘锥天线。圆盘的中心与馈电同轴电缆的内导体相连，圆锥的锥顶与同轴线外导体相连。其结构如右图所示。

盘锥天线由于其结构的对称性，因而在与其对称轴相垂直的面内，方向图是一个圆。或者说，在水平面内其辐射是全相性的。其垂直面内方向图在低平端与普通电偶极子天线相似，这是因为频率低时圆盘电尺寸小，对方向图影响不大。当频率升高时，由于盘的“屏蔽”作用，使得最大辐射方向偏离θ=90º、方向而向下偏移，从而导致天线在水平方向的方向性系数下降。

双锥天线波束宽度与盘锥天线的较近似，但由于盘锥天线的盘是有限尺寸的，因此在频段的频率高端将会对电波的辐射起到一定的“屏蔽”作用，使盘锥天线的最大辐射方向向下偏移，其最大辐射方向可以按照以下经验公式进行估算：

盘锥天线的宽频带特性得益于它非对称的激励方式和它轴对称的几何结构。如果将盘锥结构的盘和锥分别看成是两个单极子，则这两个单极子的输入阻抗是不同的。整个天线的输入阻抗可以看成是这两个单极子的输入阻抗的串联。只要设计合理就可以使这两个单极子的输入阻抗随频率的变化起到互补的作用，从而在所设计的工作频带内保持整个天线输入阻抗随频率变化不是太大。 将盘锥天线近似作为一个上锥体半张角θ=90º、下锥体半张角为θº的双锥天线来分析，它具有很低的特性阻抗。盘锥天线的特性阻抗3近似为：

由上式可以看出盘锥天线的特性阻抗明显低于普通振子天线，其阻抗频率特性也就明显地优于普通振子天线。

优点总结锥形天线包括圆锥对数螺旋天线、双锥天线、有限平面倒锥天线、盘锥天线等其它结构天线。

圆锥对数螺旋天线具有宽频带、圆极化特征，天线尺寸相对较小。在 2 ～ 6GHz，天线的尺寸可以做到Φ50mm 以内，在工作带宽内天线的方向图4比较恒定，随频率变化很小，并且方向图具有轴对称性，单元在60 度时有 0dB 左右的覆盖电平。圆锥对数螺旋天线尺寸小、方向图前后比好、增益恒定及宽角轴比好。

双锥形天线由两个锥顶相对的圆锥体组成，在锥顶馈电。圆锥可以用金属面、金属线或金属网构成。正象笼形天线一样，由于天线的断面积增大，天线频带也随之加宽。双锥形天线主要用于超短波接收。 锥角大的双锥天线，或由它演变而成的盘锥天线，属于宽带天线之列，它们在VHF和频段都获得了广泛的应用。有限长的双锥天线能很好的满足方向图、增益及驻波等指标要求，还有一个很大的优势是结构简单，易于加工，耐功率性能也很好，体积和重量均不大，易于安装、拆卸和运输，有很高的工程实用价值。

盘锥形天线是一种超短波天线。顶部为一圆盘（即辐射体），由同轴线的心线馈电，下面为一圆锥，接同
轴线的外导体。圆锥的作用与无限大的地面相似，改变圆锥的倾斜角度，就能改变天线的最大辐射方向。它有极宽的频带。5

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学