X波段圆锥喇叭天线的仿真与测试_陈志强.pdf

理论算法2022.24440 引言天线作为收发电磁波信号的装置，是雷达、移动基站和卫星等无线通信系统的关键组成部分12。天线按结构形式通常分为线天线与面天线，喇叭天线就是一种面天线345。常见的喇叭天线有角锥喇叭天线、矩形喇叭天线和圆锥喇叭天线。矩形波导宽边尺寸不变，而窄边逐渐变大，此为 E 面矩形喇叭天线；与 E 面矩形喇叭变化相反则称之为 H 面矩形喇叭天线。若喇叭天线口径为矩形，且矩形的窄边与宽边尺寸同时变大，则称之为角锥喇叭天线；而若喇叭天线是由圆形波导变化形成，此为圆锥喇叭天线。由于工程项目需要，需设计一种工作中心频率为8.3GHz，工作带宽范围为 600MHz，带内回波损耗小于-15dB；且工作在 8.3GHz 时天线的最大方向增益不低于 10dB，半功率波束宽度不低于 20的天线。考虑到喇叭天线具有增益高，反射小和频带宽等特点，而且加工简单，成本低等优点，因此选择了圆锥喇叭天线作为所设计天线。1 天线理论设计圆锥喇叭天线需要的理论知识在常见的天线理论书籍4中都有阐述，下面简要介绍圆锥喇叭天线的设计过程。喇叭天线的设计主要包括：喇叭几何尺寸的计算，方向图的计算和激励波导的计算等。在设计喇叭天线时，一般所提的要求是天线需要具备一定的增益 G 或一定的 3dB 波束宽度3dB(半功率波束宽度)。其设计步骤如下：1)根据工作频段，选用作为激励喇叭的波导，确定其尺寸；2)根据所需的天线增益大小，确定喇叭的最佳口径尺寸；2244appeAAG=(1)其中：表示波长；eA表示天线的有效口径；pA表示天线的物理口径，对圆锥喇叭天线，有2pAR=，R为圆锥喇叭内口径的半径；eappAA=为口径效率，取值范围为01ap。由天线理论可知，当ap值较大，天线增益较高，但旁瓣抑制度较差；当ap值较小，天线增益较低，但旁瓣抑制度较好，故采用书中4典型值0.6ap=，代入式(1)，有：22.4pAG=(2)X 波段圆锥喇叭天线的仿真与测试陈志强，何顺雨(电子科技大学物理学院，四川成都，611731)摘要：仿真设计并加工测试了一款 X 波段圆锥喇叭天线。根据工程指标要求，利用 HFSS 软件对该天线进行建模仿真优化，仿真结果表明在频率段 8.08.6GHz，带内回波损耗小于-15dB；在 8.3GHz 时天线最大方向增益达到 15dB，E 面与 H 面3dB 波束宽度均达到 28，且 E 面与 H 面增益方向图对称性良好。最后对天线进行了实物加工与户外环境测试，测试结果为 8.3GHz 时天线最大方向增益为 12.5dB，3dB 波束宽度达到 26，测试结果与仿真结果较为吻合，亦满足实际工程需求。关键词:天线；圆锥喇叭；X 波段；HFSS中图分类号：TP242 文献标识码：BSimulationandtestofX-bandconicalhornantennaChen Zhiqiang,He Shunyu(School of Physics,UESTC,Chengdu Sichuan,611731)Abstract:An X-band conical horn antenna is designed and tested.According to the requirements of engineering,the antenna is modeled and simulated by HFSS software.The simulation results show that in the frequency range of 8.08.6 GHz,the in-band return loss is less than-15 dB.At 8.3 GHz,the maximum directional gain of the antenna is 15 dB,and the 3 dB beamwidths of both E and H planes are 28 .Moreover,the symmetry of the gain direction pattern of E and H planes is good.Finally,the antenna is processed and tested in outdoor environment.The test results show that when at 8.3 GHz,the maximum directional gain of the antenna is 12.5 dB,and the beam width of 3 dB is 26.The test results are in good agreement with the simulation results,and also meet the practical engineering requirements.Keywords:antenna;conical horn;X band;HFSSDOI:10.16520/ki.1000-8519.2022.24.007理论算法2022.2445采用对数形式，则可化为：22.410 log()pAGdBi=(3)2 仿真设计所设计的喇叭天线的馈电方式是圆波导馈电，因此需要采用同轴线圆波导转换器。目前市场上已经有很多成熟的同轴圆波导转换器产品，因为项目急需，故我们不单独制作该转换器，直接购买了一款商用的、型号为 HD-27.788CWCAS 的同轴-圆波导转换器（西安恒达微波技术有限公司生产）。该转换器的工作频段为 8.08.6GHz，且采用了标准的圆波导尺寸，内径为 27.79mm。为了与该转换器对接，设计的喇叭天线底部内径尺寸也为 27.79mm。根据前面的喇叭天线尺寸计算公式(3)，我们令天线增益15GdB，因为加工出来的产物由于误差，指标总会低于理想值，故计算时把增益 G 取高一些，留有一定余量，且所设计天线中心频率为 8.3GHz，故相应天线口径的尺寸参数如表1 所示。表 1 喇叭天线增益与对应口径的尺寸中心频率 f(GHz)天线增益 G(dB)波长(mm)内口径 D(mm)内口径的半径 R(mm)8.31536.183.241.6确定了天线口径尺寸后，还需要计算喇叭天线的长度，根据天线理论，圆锥喇叭的口径尺寸、长度与增益的关系如图 1 所示，令表示圆锥喇叭口径的直径的自由空间波长数，L表示圆锥喇叭长度的自由空间波长数，当天线增益15GdB=时，对应的2.3D=，0.9L=，故算得天线的长度32.6 mmL=。图 1 圆锥喇叭的尺寸（波长数）与增益的关系4项 目 工 程 要 求 的 频 率 段 是 88.6GHz，仿 真 时，选7.59.0GHz 的频段内进行优化分析，目的更好地分析天线的宽频带特性。因为是严格按照喇叭天线理论得到的尺寸来进行建模仿真，并考虑到实际工程应用以及加工精度要求，只做了初步优化后，仿真的结果就达到了我们的指标要求，表 2 列出了最终优化后的天线尺寸。表 2 优化后的天线各个参数值内口径 D内(mm)外口径 D外(mm)喇叭长度 L(mm)厚度 t(mm)83.286.8321.8 tLD内D外(a)喇叭天线的三维电磁模型 (b)天线尺寸示意图图 2 (a)喇叭天线的三维电磁模型；(b)天线尺寸示意图图 2(a)是喇叭天线的三维电磁模型，其中天线下面的正方形金属底座是法兰盘，为的是后续加工实物出来，方便与前面提到的同轴圆波导转换器进行对接。图 2(b)则是喇叭天线的几何尺寸示意图。考虑到成本问题，我们选择了硬铝作为天线的材质。硬铝是指以 Cu 为主要合金元素的一种铝合金，根据 Cu 元素的含量不同，介电常数为不定值，为方便仿真优化，在 HFSS 中直接设材料参数为 copper（铜）。喇叭天线比较重要的指标是天线增益、带内回波损耗和 3dB 波束宽度3dB，优化后的仿真结果如图 3 和图 4 所示。(a)喇叭天线的三维方向图(b)E 面与 H 面方向图及 3dB 波束宽度图 3 (a)喇叭天线的三维方向图(8.3GHz)；(b)E 面与 H 面方向图及 3dB 波束宽度(8.3GHz)由图 3 可以看到 8.3GHz 时仿真的喇叭天线的最大增益为 15dB，E 面与 H 面增益方向图的 3dB 波束宽度3dB均达理论算法2022.2446到了 28；从图 4 可以得知中心频率 8.3GHz 下的回波损耗为-24.1dB，7.59.0GHz 频段的带内回波损耗小于-20dB。以上结果满足设计指标要求。图 4 喇叭天线的回波损耗(7.59.0GHz)3 加工测试为了验证所提出的圆锥喇叭天线的工作性能，对其进行了实物加工与户外环境下的天线增益方向图测试实验。喇叭天线加工腔体图如图 5 所示；加工后的实物图如图 6(a)所示，天线增益方向图户外测试实际场景图如图 6(b)所示；图7(a)为测试链路原理框图；收发天线对准时，测试链路与各部分器件的增益和插损值可见图 7(b)。图 5 喇叭天线加工腔体图，单位：mm根据自由空间电磁波衰减公式：32.4420 lg()20 lg()LossRf=(4)其中，R 为空间传播距离，单位为 km；f 为频率，单位为MHz。当空间传播距离 R 为 5m 时，8.3GHz下空间电磁波衰减量为：-64.8dB。(a)喇叭天线实物图(同 (b)户外测试实际场景图 轴-波导转换器+喇叭口)图 6 (a)喇叭天线实物图；(b)户外测试实际场景图户外环境下天线增益方向图测试实验是一种间接实验，先是将发射天线与接收天线正对（最大增益方向），然后通过将测试链路中除了天线增益外的其余各个部分插损与衰减值测出或算出，再通过矢网的输出功率与最终接收读数，最后算出天线的增益。以图 7(b)为例，矢量网络分析仪的输出功率为 0dBm，两条电缆的总插损值为-3dB；5m 时，8.3GHz 下空间电磁波衰减量为-64.8dB；而矢网的读数为-44.8 dBm；因此：发射天线增益+接收天线增益=-44.8dBm+64.8dBm+3dB-0dBm=23dB接收天线与发射天线均为同样的圆锥喇叭天线，因此单只喇叭天线的实测最大方向增益为 23/2=12.5 dB。比仿真得到的 15dB 增益要小一些，可能为加工误差所致。同理，固定接收天线不转动，只在水平方向上转动发射天线，发射支架的可转动范围为 75(见图 8(a)，转动步径为 1，采取同样的计算方式，即可算出喇叭天线其他方向的增益，最终得到喇叭天线的增益方向图如图 8(b)中的虚线所示，实线为仿真的 E 面与 H 面增益方向图。可以看到实测的喇叭天线的 3dB 波束宽度3dB达到了 26，符合工程指标要求。4 总结使用 HFSS 仿真设计并加工测试了一种圆锥喇叭天线，天线材质为硬铝，天线最大口径为 86.8mm，长度为 42mm，壁厚1.8mm。通过户外实验，8.3GHz 下实测得到喇叭天线的增益方向图与仿真的 E 面与 H 面增益方向图较为吻合，实测天线的最矢网发射端口电缆发射天线0dBm-1.5dB12.5dB发射端空间波传播距离5M电缆接收天线矢网接收端口接收端12.5dB-1.5dB-44.8dBm-64.8dB发射天线接收天线户外测试环境电缆电缆矢量网络分析仪S1S2空间传播距离5M发射天线支架可以水平左右转动 75(a)户外环境下增益方向图测试原理框图(b)正对时，测试链路与各部分器件的增益和插损值图 7 (a)户外环境下增益方向图测试原理框图；(b)正对时，测试链路与各部分器件的增益和插损值（下转第 31 页）设计研发2022.2431不得不在充电接口上考虑短路保护电路。本设计采用 P 沟道MOS 管，当电池出现短路现象，电阻与三极管将 MOS 管进行关断，达到充电停止的功能3，USB 保护电路原理图如下图所示。Q1MOSFET-P100KR810UFC1622KR9Q2NPN10KR1022UFC17GNDGNDVBUS1D-2D+3GND4shell5shell6USB1BATUSB图 9 USB 保护电路原理图4 软件设计硬件电路作支撑，软件设计则是整个系统运行的保障，如电源能够将民用 220V 交流电转换为直流电，提供给 STM32芯片及充电管理芯片进行工作，但是具体该如何提供供电，每一部分电路想要得到多少 V 的电压，FS4059 需要怎样工作，充电管理电路怎样实现电压检测等等一系列工作都需要软硬件结合来实现，硬件是基础，软件是桥梁5。4.1 软件流程首先进行系统初始化，初始电压设置为 3.3V，单片机开始查询是否有电池插入，若此时没有电池插入充电，则自动跳转至显示电路提示用户未监测充电设备 5。若此时有充电设备，则利用 STM32F103 内部自带的 ADC 功能进行充电管理器发出的充电电压采样，并通过算法判断出目前充电设备是处于什么充电状态，电池还需要多少就可以完成充电等，然后将计算结果发送至12864LCD显示屏进行显示。软件流程如图10所示。图 10 软件流程图参考文献1吴宇平.锂离子电池应用与实践M.化学工业出版社,2020.1.2 刘火良.STM32库开发实战指南M.机械工业出版社2018.7.3 张洋.原子教你玩 STM32M.北京航空航天大学出版社,2020.12.4 杨百军.STM32 嵌入式微控制器快速上手 M.电子工业出版社,2017.7.5 张宏伟.单片机应用技术M.北京理工大学出版社,2020.7.大方向增益达到了 12.5dB，实测的 3dB 波束宽度3dB达到了26，符合项目指标要求，可用于雷达、卫星等无线通信系统。参考文献1A.K.Bhattacharyya,G.Z.Rollins.Accurate radiation and impedance characteristics of horn antennasA moment-method modelJ.IEEE Trans.Antenna Propagation.,1996(44):523531.2C.Shu et al.A Wideband Dual-Circular-Polarization Horn Antenna for mmWave Wireless Communications.JIEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2019(18):1726-1730.3 林昌禄.天线工程手册 M.北京:电子工业出版社,2002.4 章文勋.天线（第三版）M 北京:电子工业出版社,2006.5 刘涛.结构因素对圆锥喇叭电性能影响的仿真分析 J.天文研究与技术,2014(11):20-24.接收天线空间传播距离5 m发射天线左右转动 75水平方向俯视图传播方向(a)接收天线固定，发射天线水平左右转动示意图(b)增益方向图测试结果与仿真结果对比图图 8 (a)接收天线固定，发射天线水平左右转动示意图；(b)增益方向图测试结果与仿真结果对比图（上接第 46 页）