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)

0 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[1][2]。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[3][4][5]。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θ3dB(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；

其中：λ表示波长；Ae表示天线的有效口径；Ap表示天线的物理口径，对圆锥喇叭天线，有Ap=πR2，R为圆锥喇叭内口径的半径；为口径效率，取值范围为0 ≤ηap≤1。由天线理论可知，当ηap值较大，天线增益较高，但旁瓣抑制度较差；当ηap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ηap=0.6，代入式(1)，有：

采用对数形式，则可化为：

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8.0～8.6GHz，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G= 15dB，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

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Dλ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Dλ=2.3，Lλ=0.9，故算得天线的长度L=32.6 mm。

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8～8.6GHz，仿真时，选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

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θ3dB，优化后的仿真结果如图3和图4所示。

图2 (a)喇叭天线的三维电磁模型；(b)天线尺寸示意图

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)

图4 喇叭天线的回波损耗(7.5～9.0GHz)

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θ3dB均达到了28°；从图4可以得知中心频率8.3GHz下的回波损耗为-24.1dB，7.5～9.0GHz频段的带内回波损耗小于-20dB。以上结果满足设计指标要求。

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

图6 (a)喇叭天线实物图；(b)户外测试实际场景图

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

根据自由空间电磁波衰减公式：

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。

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θ3dB达到了26°，符合工程指标要求。

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

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，实测天线的最大方向增益达到了12.5dB，实测的3dB波束宽度θ3dB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。