X波段圆锥喇叭天线的仿真与测试_陈志强

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理论算法2022.24X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8.0~8.6GHz，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：BDOI:10.16520/j.cnki.1000-8519.2022.24.007SimulationandtestofX-bandconicalhornantennaChenZhiqiang,HeShunyu(SchoolofPhysics,UESTC,ChengduSichuan,611731)Abstract:AnX-bandconicalhornantennaisdesignedandtested.Accordingtotherequirementsofengineering,theantennaismodeledandsimulatedbyHFSSsoftware.Thesimulationresultsshowthatinthefrequencyrangeof8.0~8.6GHz,thein-bandreturnlossislessthan-15dB.At8.3GHz,themaximumdirectionalgainoftheantennais15dB,andthe3dBbeamwidthsofbothEandHplanesare28°.Moreover,thesymmetryofthegaindirectionpatternofEandHplanesisgood.Finally,theantennaisprocessedandtestedinoutdoorenvironment.Thetestresultsshowthatwhenat8.3GHz,themaximumdirectionalgainoftheantennais12.5dB,andthebeamwidthof3dBis26°.Thetestresultsareingoodagreementwiththesimulationresults,andalsomeetthepracticalengineeringrequirements.Keywords:antenna;conicalhorn;Xband;HFSS[4]0引言书籍中都有阐述，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，方向图天线作为收发电磁波信号的装置，是雷达、移动基站和[1][2]的计算和激励波导的计算等。在设计喇叭天线时，一般所提卫星等无线通信系统的关键组成部分。天线按结构形式[3][4][5]的要求是天线需要具备一定的增益G或一定的3dB波束宽通常分为线天线与面天线，喇叭天线就是一种面天线。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度θ3dB(半功率波束宽度)。其设计步骤如下：天线。矩形波导宽边尺寸不变，而窄边逐渐变大，此为E面矩1)根据工作频段，选用作为激励喇叭的波导，确定其尺寸；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2)根据所需的天线增益大小，确定喇叭的最佳口径尺寸；4πA4πηA叭天线。若喇叭天线口径为矩形，且矩形的窄边与宽边尺寸eappG==(1)22λλ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。其中：λ表示波长；Ae表示天线的有效口径；Ap表示天2由于工程项目需要，需设计一种工作中心频率为线的物理口径，对圆锥喇叭天线，有ARp=π，R为圆锥喇叭8.3GHz，工作带宽范围为600MHz，带内回波损耗小于-15dB；Aη=e内口径的半径；ap为口径效率，取值范围为01≤≤ηap。A且工作在8.3GHz时天线的最大方向增益不低于10dB，半功p率波束宽度不低于20°的天线。考虑到喇叭天线具有增益由天线理论可知，当ηap值较大，天线增益较高，但旁瓣抑制高，反射小和频带宽等特点，而且加工简单，成本低等优点，度较差；当ηap值较小，天线增益较低，但旁瓣抑制度较好，故因此选择了圆锥喇叭天线作为所设计天线。[4]采用书中典型值ηap=0.6，代入式(1)，有：1天线理论2.4⋅πApG=(2)2设计圆锥喇叭天线需要的理论知识在常见的天线理论λ44

12022.24理论算法采用对数形式，则可化为：做了初步优化后，仿真的结果就达到了我们的指标要求，表■■2.4⋅πA2列出了最终优化后的天线尺寸。pG=10log⋅■■2(dBi)(3)■■λ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)2仿真设计83.286.8321.8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t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-L内外DD27.788CWCAS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8.0~8.6GHz，且采用了(a)喇叭天线的三维电磁模型(b)天线尺寸示意图标准的圆波导尺寸，内径为27.79mm。为了与该转换器对接，图2(a)喇叭天线的三维电磁模型；(b)天线尺寸示意图设计的喇叭天线底部内径尺寸也为27.79mm。图2(a)是喇叭天线的三维电磁模型，其中天线下面的根据前面的喇叭天线尺寸计算公式(3)，我们令天线增正方形金属底座是法兰盘，为的是后续加工实物出来，方便益G15dB，因为加工出来的产物由于误差，指标总会低于与前面提到的同轴—圆波导转换器进行对接。图2(b)则是喇理想值，故计算时把增益G取高一些，留有一定余量，且所设叭天线的几何尺寸示意图。考虑到成本问题，我们选择了硬计天线中心频率为8.3GHz，故相应天线口径的尺寸参数如表铝作为天线的材质。硬铝是指以Cu为主要合金元素的一种铝1所示。合金，根据Cu元素的含量不同，介电常数为不定值，为方便仿表1喇叭天线增益与对应口径的尺寸真优化，在HFSS中直接设材料参数为copper（铜）。喇叭天线中心频率f天线增益G波长λ内口径D内口径的半径R(GHz)(dB)(mm)(mm)(mm)比较重要的指标是天线增益、带内回波损耗和3dB波束宽度8.31536.183.241.6θ，优化后的仿真结果如图3和图4所示。3dB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，Lλ表示圆锥喇叭长度的自由空间波长数，当天线增益G=15dB时，对应的D=2.3，L=0.9，故算得天线的长度λλL=32.6mm。(a)喇叭天线的三维方向图[4](b)E面与H面方向图及3dB波束宽度图1圆锥喇叭的尺寸（波长数）与增益的关系项目工程要求的频率段是8~8.6GHz，仿真时，选图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)7.5~9.0GHz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由图3可以看到8.3GHz时仿真的喇叭天线的最大增益行建模仿真，并考虑到实际工程应用以及加工精度要求，只为15dB，E面与H面增益方向图的3dB波束宽度θ3dB均达45

2理论算法2022.24到了28°；从图4可以得知中心频率8.3GHz下的回波损耗量为：-64.8dB。为-24.1dB，7.5~9.0GHz频段的带内回波损耗小于-20dB。以上结果满足设计指标要求。(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，最图4喇叭天线的回波损耗(7.5~9.0GHz)后算出天线的增益。以图7(b)为例，矢量网络分析仪的输出3加工测试功率为0dBm，两条电缆的总插损值为-3dB；5m时，8.3GHz为了验证所提出的圆锥喇叭天线的工作性能，对其进行下空间电磁波衰减量为-64.8dB；而矢网的读数为-44.8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dBm；因此：天线加工腔体图如图5所示；加工后的实物图如图6(a)所发射天线增益+接收天线增益=-44.8dBm+64.8dBm+3dB-示，天线增益方向图户外测试实际场景图如图6(b)所示；图0dBm=23dB7(a)为测试链路原理框图；收发天线对准时，测试链路与各接收天线与发射天线均为同样的圆锥喇叭天线，因此单部分器件的增益和插损值可见图7(b)。只喇叭天线的实测最大方向增益为23/2=12.5dB。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θ3dB达到了26°，符合工程指标要求。图5喇叭天线加工腔体图，单位：mm4总结根据自由空间电磁波衰减公式：使用HFSS仿真设计并加工测试了一种圆锥喇叭天线，Loss=−32.4420lg()20lg()−⋅R−⋅f(4)天线材质为硬铝，天线最大口径为86.8mm，长度为42mm，壁厚其中，R为空间传播距离，单位为km；f为频率，单位为1.8mm。通过户外实验，8.3GHz下实测得到喇叭天线的增益方MHz。当空间传播距离R为5m时，8.3GHz下空间电磁波衰减向图与仿真的E面与H面增益方向图较为吻合，实测天线的最户外测试环境发射天线接收天线空间传播距离5M空间波传播距离5M发射端接收端电缆电缆发射天线支架可以水平左右转动±75°矢网发射端口电缆发射天线接收天线电缆矢网接收端口S1S2矢量网络分析仪0dBm-1.5dB12.5dB-64.8dB12.5dB-1.5dB-44.8dBm(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）46

32022.24设计研发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MOS管，当电池出现短路现象，电阻与三极管将MOS管进行关备，则利用STM32F103内部自带的ADC功能进行充电管理器发[3]断，达到充电停止的功能，USB保护电路原理图如下图所示。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USB1结果发送至12864LCD显示屏进行显示。软件流程如图10所示。BATQ1MOSFET-P1VBUS2D-R83C16D+100K410UFGND5shell6C17shellR922UF22KGNDQ2R10USB10KNPNGND图9USB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，图10软件流程图如电源能够将民用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，参考文献每一部分电路想要得到多少V的电压，FS4059需要怎样工[1]吴宇平.锂离子电池应用与实践[M].化学工业出版社,2020.1.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[2]刘火良.STM32库开发实战指南[M].机械工业出版社2018.7.[5][3]张洋.原子教你玩STM32[M].北京航空航天大学出版社,软硬件结合来实现，硬件是基础，软件是桥梁。2020.12.4.1软件流程[4]杨百军.STM32嵌入式微控制器快速上手[M].电子工业首先进行系统初始化，初始电压设置为3.3V，单片机开出版社,2017.7.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[5]张宏伟.单片机应用技术[M].北京理工大学出版社,2020.7.（上接第46页）参考文献传播方向俯视图接收天线[1]A.K.Bhattacharyya,G.Z.Rollins.Accurateradiationandimpedancecharacteristicsofhornantennas—Amoment-methodmodel[J].IEEE空间传播距离5mTrans.AntennaPropagation.,1996(44):523–531.[2]C.Shuetal.AWidebandDual-Circular-PolarizationHornAntennaformmWaveWireless水平方向Communications.[J]IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,2019(18):1726-1730.发射天线左右转动±75°[3]林昌禄.天线工程手册[M].北京:电(a)接收天线固定，发射天线水平左右(b)增益方向图测试结果与仿真结果对比图子工业出版社,2002.转动示意图[4]章文勋.天线（第三版）［M］．北京:电图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子工业出版社,2006.真结果对比图[5]刘涛.结构因素对圆锥喇叭电性能影大方向增益达到了12.5dB，实测的3dB波束宽度θ3dB达到了响的仿真分析[J].天文研究与技术,2014(11):20-24.26°，符合项目指标要求，可用于雷达、卫星等无线通信系统。31