X波段圓錐喇叭天線的仿真與測試

陳志強，何順雨

(電子科技大學物理學院，四川成都，611731)

0 引言

天線作為收發(fā)電磁波信號的裝置，是雷達、移動基站和衛(wèi)星等無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分[1][2]。天線按結(jié)構(gòu)形式通常分為線天線與面天線，喇叭天線就是一種面天線[3][4][5]。常見的喇叭天線有角錐喇叭天線、矩形喇叭天線和圓錐喇叭天線。矩形波導(dǎo)寬邊尺寸不變，而窄邊逐漸變大，此為E面矩形喇叭天線；與E面矩形喇叭變化相反則稱之為H面矩形喇叭天線。若喇叭天線口徑為矩形，且矩形的窄邊與寬邊尺寸同時變大，則稱之為角錐喇叭天線；而若喇叭天線是由圓形波導(dǎo)變化形成，此為圓錐喇叭天線。

由于工程項目需要，需設(shè)計一種工作中心頻率為8.3GHz，工作帶寬范圍為600MHz，帶內(nèi)回波損耗小于-15dB；且工作在8.3GHz時天線的最大方向增益不低于10dB，半功率波束寬度不低于20°的天線?？紤]到喇叭天線具有增益高，反射小和頻帶寬等特點，而且加工簡單，成本低等優(yōu)點，因此選擇了圓錐喇叭天線作為所設(shè)計天線。

1 天線理論

設(shè)計圓錐喇叭天線需要的理論知識在常見的天線理論書籍[4]中都有闡述，下面簡要介紹圓錐喇叭天線的設(shè)計過程。喇叭天線的設(shè)計主要包括：喇叭幾何尺寸的計算，方向圖的計算和激勵波導(dǎo)的計算等。在設(shè)計喇叭天線時，一般所提的要求是天線需要具備一定的增益G或一定的3dB波束寬度θ3dB(半功率波束寬度)。其設(shè)計步驟如下：

1)根據(jù)工作頻段，選用作為激勵喇叭的波導(dǎo)，確定其尺寸；

2)根據(jù)所需的天線增益大小，確定喇叭的最佳口徑尺寸；

其中：λ表示波長；Ae表示天線的有效口徑；Ap表示天線的物理口徑，對圓錐喇叭天線，有Ap=πR2，R為圓錐喇叭內(nèi)口徑的半徑；為口徑效率，取值范圍為0 ≤ηap≤1。由天線理論可知，當ηap值較大，天線增益較高，但旁瓣抑制度較差；當ηap值較小，天線增益較低，但旁瓣抑制度較好，故采用書中[4]典型值ηap=0.6，代入式(1)，有：

采用對數(shù)形式，則可化為：

2 仿真設(shè)計

所設(shè)計的喇叭天線的饋電方式是圓波導(dǎo)饋電，因此需要采用同軸線—圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器。目前市場上已經(jīng)有很多成熟的同軸—圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，因為項目急需，故我們不單獨制作該轉(zhuǎn)換器，直接購買了一款商用的、型號為HD-27.788CWCAS的同軸-圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器（西安恒達微波技術(shù)有限公司生產(chǎn)）。該轉(zhuǎn)換器的工作頻段為8.0～8.6GHz，且采用了標準的圓波導(dǎo)尺寸，內(nèi)徑為27.79mm。為了與該轉(zhuǎn)換器對接，設(shè)計的喇叭天線底部內(nèi)徑尺寸也為27.79mm。

根據(jù)前面的喇叭天線尺寸計算公式(3)，我們令天線增益G= 15dB，因為加工出來的產(chǎn)物由于誤差，指標總會低于理想值，故計算時把增益G取高一些，留有一定余量，且所設(shè)計天線中心頻率為8.3GHz，故相應(yīng)天線口徑的尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 喇叭天線增益與對應(yīng)口徑的尺寸

確定了天線口徑尺寸后，還需要計算喇叭天線的長度，根據(jù)天線理論，圓錐喇叭的口徑尺寸、長度與增益的關(guān)系如圖1所示，令Dλ表示圓錐喇叭口徑的直徑的自由空間波長數(shù)，Lλ表示圓錐喇叭長度的自由空間波長數(shù)，當天線增益G= 15dB時，對應(yīng)的Dλ=2.3，Lλ=0.9，故算得天線的長度L=32.6 mm。

圖1 圓錐喇叭的尺寸（波長數(shù)）與增益的關(guān)系[4]

項目工程要求的頻率段是8～8.6GHz，仿真時，選7.5～9.0GHz的頻段內(nèi)進行優(yōu)化分析，目的更好地分析天線的寬頻帶特性。因為是嚴格按照喇叭天線理論得到的尺寸來進行建模仿真，并考慮到實際工程應(yīng)用以及加工精度要求，只做了初步優(yōu)化后，仿真的結(jié)果就達到了我們的指標要求，表2列出了最終優(yōu)化后的天線尺寸。

表2 優(yōu)化后的天線各個參數(shù)值

圖2(a)是喇叭天線的三維電磁模型，其中天線下面的正方形金屬底座是法蘭盤，為的是后續(xù)加工實物出來，方便與前面提到的同軸—圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器進行對接。圖2(b)則是喇叭天線的幾何尺寸示意圖。考慮到成本問題，我們選擇了硬鋁作為天線的材質(zhì)。硬鋁是指以Cu為主要合金元素的一種鋁合金，根據(jù)Cu元素的含量不同，介電常數(shù)為不定值，為方便仿真優(yōu)化，在HFSS中直接設(shè)材料參數(shù)為copper（銅）。喇叭天線比較重要的指標是天線增益、帶內(nèi)回波損耗和3dB波束寬度θ3dB，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖2 (a)喇叭天線的三維電磁模型；(b)天線尺寸示意圖

圖3 (a)喇叭天線的三維方向圖(8.3GHz)；(b)E面與H面方向圖及3dB波束寬度(8.3GHz)

圖4 喇叭天線的回波損耗(7.5～9.0GHz)

由圖3可以看到8.3GHz時仿真的喇叭天線的最大增益為15dB，E面與H面增益方向圖的3dB波束寬度θ3dB均達到了28°；從圖4可以得知中心頻率8.3GHz下的回波損耗為-24.1dB，7.5～9.0GHz頻段的帶內(nèi)回波損耗小于-20dB。以上結(jié)果滿足設(shè)計指標要求。

3 加工測試

為了驗證所提出的圓錐喇叭天線的工作性能，對其進行了實物加工與戶外環(huán)境下的天線增益方向圖測試實驗。喇叭天線加工腔體圖如圖5所示；加工后的實物圖如圖6(a)所示，天線增益方向圖戶外測試實際場景圖如圖6(b)所示；圖7(a)為測試鏈路原理框圖；收發(fā)天線對準時，測試鏈路與各部分器件的增益和插損值可見圖7(b)。

圖5 喇叭天線加工腔體圖，單位：mm

圖6 (a)喇叭天線實物圖；(b)戶外測試實際場景圖

圖7 (a)戶外環(huán)境下增益方向圖測試原理框圖；(b)正對時，測試鏈路與各部分器件的增益和插損值

根據(jù)自由空間電磁波衰減公式：

其中，R為空間傳播距離，單位為km；f為頻率，單位為MHz。當空間傳播距離R為5m時，8.3GHz下空間電磁波衰減量為：-64.8dB。

戶外環(huán)境下天線增益方向圖測試實驗是一種間接實驗，先是將發(fā)射天線與接收天線正對（最大增益方向），然后通過將測試鏈路中除了天線增益外的其余各個部分插損與衰減值測出或算出，再通過矢網(wǎng)的輸出功率與最終接收讀數(shù)，最后算出天線的增益。以圖7(b)為例，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出功率為0dBm，兩條電纜的總插損值為-3dB；5m時，8.3GHz下空間電磁波衰減量為-64.8dB；而矢網(wǎng)的讀數(shù)為-44.8 dBm；因此：

發(fā)射天線增益+接收天線增益=-44.8dBm+64.8dBm+3dB-0dBm=23dB

接收天線與發(fā)射天線均為同樣的圓錐喇叭天線，因此單只喇叭天線的實測最大方向增益為23/2=12.5 dB。比仿真得到的15dB增益要小一些，可能為加工誤差所致。

同理，固定接收天線不轉(zhuǎn)動，只在水平方向上轉(zhuǎn)動發(fā)射天線，發(fā)射支架的可轉(zhuǎn)動范圍為±75°(見圖8(a))，轉(zhuǎn)動步徑為1°，采取同樣的計算方式，即可算出喇叭天線其他方向的增益，最終得到喇叭天線的增益方向圖如圖8(b)中的虛線所示，實線為仿真的E面與H面增益方向圖?？梢钥吹綄崪y的喇叭天線的3dB波束寬度θ3dB達到了26°，符合工程指標要求。

圖8 (a) 接收天線固定，發(fā)射天線水平左右轉(zhuǎn)動示意圖；(b) 增益方向圖測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖

4 總結(jié)

使用HFSS仿真設(shè)計并加工測試了一種圓錐喇叭天線，天線材質(zhì)為硬鋁，天線最大口徑為86.8mm，長度為42mm，壁厚1.8mm。通過戶外實驗，8.3GHz下實測得到喇叭天線的增益方向圖與仿真的E面與H面增益方向圖較為吻合，實測天線的最大方向增益達到了12.5dB，實測的3dB波束寬度θ3dB達到了26°，符合項目指標要求，可用于雷達、衛(wèi)星等無線通信系統(tǒng)。