基于双锥结构的小型时域脉冲天线设计

超宽带时域天线作为实现超宽带无线电系统和高功率微波系统脉冲辐射的终端器件，直接影响了整个系统性能的好坏。不同于常规的载波信号通信天线，时域脉冲天线必须具备短脉冲波辐射能力和良好的波形保真性。为此，本文设计了一种小型化、加载介质套筒的双锥时域脉冲辐射天线，其工作带宽覆盖1.7~40 GHz。相对于传统的双锥天线，扩展了工作带宽并增强了结构稳固性。介绍了双锥天线的基本原理，采用电磁分析软件CST Microwave Studio对天线结构进行了建模分析并加工了实物进行测试。仿真结果和测试结果表明，天线在频带范围内驻波比小于2.5，H面频域方向图和时域方向图均有良好全向性，短脉冲信号波形保真度在E面20˚~160˚范围内大于90%。

近年来，无线通信的快速发展促使超宽带技术逐渐受到重视。通常，超宽带技术传输的信号是亚纳秒级的瞬态电磁脉冲波， 经傅里叶变换可发现其具有极宽频谱的特点， 具有强干扰性、高数据传输速率、大信号容量、功率谱密度低、时域分辨率高等优势，被广泛运用在军事、卫星、探测、成像等领域[1]。

用于瞬态电磁脉冲发射和接收的载体即是超宽带的时域天线。不同于常见的频域天线，辐射脉冲波形的保真程度是衡量时域天线优劣的一个重要指标，这就对天线的频宽、多个频点的方向图以及增益稳定性提出更高的要求。

常用的时域天线包括Vivaldi 天线[2] [3]、TEM 喇叭天线[4] [5]、双锥天线[6]等。

然而， Vivaldi 天线和TEM 喇叭天线均不具备全向辐射与全向接收的特点，在实际使用过程中需要进行对准操作，在某些应用场景下带来了不便。双锥天线则是一种全向性良好、频带宽的时域天线，最初是由对称振子天线发展演变而来，在全向且均匀地接收、辐射信号方面极具优势，不需要像定向天线一样进行严格、繁琐的对准操作流程。到目前为止，双锥天线的研究还在持续进行，不仅在结构上对双锥天线进行了改良[7] [8]，还出现了一些结合其他类型天线的组合型双锥天线，如文献[9]将双锥天线与对数周期天线结合用作车载通信天线，以及文献[10]在双锥天线的基础上加载磁偶极子以改善天线性能。

另一方面，人们对时域脉冲天线的认知还不够深入和全面，未形成完整、全面的研究理论[11]，设计出宽带宽、方向图良好、信号保真度高且具有实用性的时域脉冲天线是亟需解决的问题。此外，近年来电子电路朝着集成化、小型化的方向发展，这也对小型化的时域天线提出了需求。对此，本文设计了一种小型化的双锥时域脉冲天线， 并加载介质套筒以增加天线结构的稳定性和可靠性， 具有优良的实用性。

本文不仅对天线的频域特性进行了分析，还对时域特性也进行了仿真研究，表明该天线对电磁脉冲信号有良好的辐射能力。相对于传统时域天线，所设计的天线有尺寸小、重量轻、频带宽、信号保真度高的优点。

2. 双锥天线理论 双锥天线是一种非频变天线，即天线的阻抗特性和方向性能受频率影响不大。理想化的双锥天线模型是无限长的，输入阻抗仅由锥体张角决定。对于图1 所示的理想双锥天线模型，设上下锥体的半锥角分别为θa、θb，其输入阻抗为：