X波段圆锥喇叭天线的仿真与测试_陈志强.pdf
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1、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-1
2、5dB;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
3、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
4、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 Zhi
5、qiang,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 i
6、n-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 environmen
7、t.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
8、.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
9、。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
10、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
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