Ku波段角锥喇叭天线的增益分析
一种应用于微波水分检测仪的角锥喇叭天线设计与分析
一种应用于微波水分检测仪的角锥喇叭天线设计与分析刘涛1，陈志平1，伍玉涛1，贺存君2【摘要】根据惠更斯原理对比分析了几种常用喇叭天线的特性，依据角锥喇叭天线的设计理论，结合铁精矿水分微波检测仪的实际情况，设计了中心频率为9.4 GHz、增益大于10 dB的角锥喇叭天线结构。
运用HFSS软件对该结构进行了仿真分析，通过仿真和对比分析得到一组较好满足工作需要的辐射增益方向图、驻波比等辐射特性，仿真结果验证了设计天线的可行性，为后期的试验和运行提供依据。
【期刊名称】现代电子技术【年(卷),期】2013(036)003【总页数】4【关键词】微波检测；喇叭天线；驻波比；增益；HFSS仿真0 引言目前水分检测对于许多行业有着极为重要的意义，水分作为一项重要的矿质指标，在铁精矿的矿质研究和加工利用中都具有重要作用。
通过对微波检测技术在铁精矿水分检测领域的研究，初步建立了微波相移法检测铁精矿水分的模型，从而为实现铁精矿水分的检测奠定了理论基础。
然而微波水分检测设备既要求高的检测精度又要求体积趋于小型化，为此对天线系统的研究设计引起人们的重视。
喇叭天线作为天线系统的一个重要的组成部分，当天线的尺寸变化时，天线的特性参数都会发生变化，如最大辐射方向改变、增益系数降低、驻波比增大等。
故此，本文主要对微波水分检测设备中喇叭天线进行了研究，并运用HFSS仿真软件进行设计分析，以达到高精度、小型化的工程要求。
1 喇叭天线涉及的基本理论由惠更斯原理可知，终端开口型的波导管尚可构成一个辐射器，但其波导口面较小，辐射方向性很差，同时，波导在开口处与开口面外的空间不相匹配，会产生严重的反射，即辐射特性差，故此不宜作为天线使用[1]。
由波导口面均匀地扩展而形成了所谓的喇叭天线，一定程度下，随波导开口面的逐渐扩展，波导与自由空间的匹配度得到了改善，其反射系数也随之变小。
换言之，波导中传输的能量绝大部分由喇叭辐射出去，反射损耗的能量相对较小；同时，其输入驻波比低且频带宽，从而获得了较好的辐射特性。
12.喇叭天线(1)
式中， v1 , v2 由式(10.11)给出。由上式可绘出 GH 参变量为
λ
b
随口径尺寸
DH
RH
λ
，见图 10-4。在
RH
λ
一定的情况下， GH
பைடு நூலகம்
λ
b
λ
随
DH
λ
变化都有一个最大
219
《天线原理与设计》讲稿
王建
值。在各最大值点处，可列出关系表 10-1。
图 10-4 H 面扇形喇叭增益与喇叭尺寸的关系 表 10-1 增益最大值处 RH / λ 和 DH / λ 的关系表 RH/λ 8 10 12 15 20 30 50 GHλ/b 39.62 44.3 48.53 54.24 62.65 76.73 99.1 DH/λ 5 5.6 6.2 6.8 8 9.8 12.6 D R 由此表可归纳出 H 与 H 有如下近似关系：
王建
+e
jβ
[C (u4 ) + C (u3 ) − jS (u4 ) − jS (u3 )]
(10.9)
π RH j2 β D I e = [C (v2 ) + C (v1 ) − jS (v2 ) − jS (v1 )] 同理可得 E β
2 H
π 2 RH
(10.10)
式中， v1 =
IH = IH1 + IH 2 1 = 2
π RH β
RH π 2 jβ 2 ( β DH + sin θ ) e [C ( u2 ) + C ( u1 ) − jS ( u2 ) − jS ( u1 ) ]
217
《天线原理与设计》讲稿
Ku波段波导缝隙全向天线设计
Ku波段波导缝隙全向天线设计摘要：本文介绍了一种新颖的Ku波段波导缝隙全向天线设计，该天线通过在圆波导柱面上开凿一定数量的倾斜纵向缝隙，组成缝隙阵列。
经过优化设计和仿真，天线在方位面360?范围内，增益起伏小于0.5dB，具有很好的全向特性，天线增益大于7.5dB，可用于雷达、基站通信等系统中。
关键词：圆波导；缝隙阵；全向；天线DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.12.1911 引言缝隙天线阵元的形式多种多样[1-2]，这是由于波导场分布的特点使单个缝隙天线（阵元）的位置比较灵活，甚至只要附加适当的激励元件，就可使在不同辐射位置上的缝隙也变成辐射元。
通常为了增强缝隙天线的方向性，在圆波导侧壁上按一定规律开多条尺寸相同的缝隙，即构成圆波导缝隙天线阵。
波导缝隙阵列天线具有机械强度好，结构紧凑、辐射效率高、耐腐蚀、便于加工等一系列优点，因而在雷达、微波通信以及广播电视系统中广泛使用。
对于波导缝隙全向天线，传统的设计方法主要有三种，第一种是单根矩形波导双面开设辐射缝隙的全向天线[1]，这种天线增益可达10dB以上，但是水平不圆度较差，在水平面增益差达2dB以上。
第二种是由梯形波导缝隙天线组成的圆环阵[2]，增益可以达到10dB以上，方位面不圆度小于6.5dB，这种中心馈电的波导缝隙圆环阵，结构复杂，加工难度较大。
第三种是在圆波导的侧壁上开凿纵向辐射缝隙，通过调谐激励探针的方法来激励辐射缝隙，从而实现全向天线的性能[3]，这种全向天线的不圆度较好，但是其增益一般只能做到5dB以下，并且结构比较复杂。
本文提出了一种新颖的波导缝隙全向天线设计，在圆波导侧壁上开设一系列的倾斜纵向辐射缝隙，仿真结果显示，在方位面360?范围内增益起伏小于0.5dB，方位面不圆度较好，天线增益优于7.5dB，可用于雷达和基站通信系统中。
2 波导缝隙全向天线设计波导缝隙阵列天线可分为谐振阵列天线（驻波阵）和非谐振阵列天线（行波阵）两种形式。
天线增益测量.
第一章概念1.1 定义1.1.1 功率增益天线在某方向上的辐射强度（每单位立体角内天线所辐射的功率）与天线从其信号源所得的净功率的比值称为天线在该方向的功率增益。
功率增益表征天线固有的性质，不包括因阻抗或极化失配所引起的系统损失。
在确定整个系统的功率传递时，要测量和考虑天线的输入阻抗与天线的极化。
1.1.2 峰值功率增益功率增益的最大值称为峰值功率增益。
本文所指的公路增益测量均为峰值功率增益测量，知道了辐射方向图就可确定任何其它方向的增益。
1.2 测量方法概述1.2.1功率增益测量方法分类功率增益测量方法可分为两大类：绝对法和比较法。
1.2.1.1 绝对法分类绝对增益测量不需要预先知道测量中所使用的任一天线的增益。
这种方法通常用于增益标准天线的定标。
除了专门从事标准定标的实验室外，其它实验室很少采用这种方法。
1.2.1.2 增益传递法增益传递发也称增益比较法，它是增益测量最常用的方法。
用这种方法进行测量时，需使被测天线的增益与增益标准的增益天线进行比较。
1.2.2 确定天线功率增益所采用的技术确定天线功率增益所采用的技术因天线的工作频率而异。
1.2.2.1 1GHz以上的频率在1GHz以上的频率，通常采用自由空间测试场进行功率增益测量。
对这些频率，可采用微波技术，例如可采用电磁喇叭等波导元件。
1.2.2.2 0.1‐‐1GHz之间的频率对于0.1‐‐1GHz之间的频率，通常用地面反射测试场进行测量。
在这一频率范围内工作的天线通常安装在诸如飞机之类的构件上，这些构件会影响天线的性能。
此时可采用比例模型技术。
然而，只要比例模型天线制作的合适，其方向性与原型天线的方向性是相同的，故可以测量比例模型天线的方向性，再用其它方法测出原型天线的效率，从而求得功率增益。
可使装有原型天线的飞机相对于一个适当的地面站按规定的路线飞行，以证实方向性测量结果。
可用原型被测天线测出系统性能，并与比例模型的测量结果进行比较。
喇叭天线9.7G
喇 叭 天 线
性能指标：
频率：9.7±0.15GHz
增益：14dBi
前后比：>20dB
设计思路
采用矩形角锥喇叭，根据设计频率，选用BJ100标准波导，馈源
采用单极子天线，在波导宽面打洞，单极子与射频同轴连接器连接到
一起，同轴连接器通过螺钉与波导固定，利用PTFE棒将单极子在波
导订固定，以减小振动对单极子的影响。在距离单极子约1/4波长处，
波导口短路，距离单极子约1个波长处，波导另一端接喇叭。为了阻
止杂物进入天线，影响天线性能，在喇叭口处用以玻璃钢罩密封。如
下图所示。
根据公式（1）：
D = )5.7log(102pA （1）
玻璃钢
计算出矩形喇叭口面积，据公式（2）求出喇叭长度
8
2
a
L
（2）
根据公式（3）、（4）得出喇叭E面，H面张角
LaE2
arctan2
（3）
L
L
H
arccos2
（4）
通过微调单极子距离短路板的位置，调节回波损耗。
仿真结果如下：
22天线增益测量
实验二十二天线增益测量一、实验目的（一）、掌握天线增益的测量方法（二）、学会确定标准天线的方法二、实验内容1、用比较法测量天线的增益。
2、用三天线法测量标准天线的增益。
三、实验原理和方法各种天线都有一定的方向性，方向函数或方向图仅描述天线的辐射场强在空间的相对分布，为了定量描述天线在某一特定方向上的辐射能量的集中程度需引入天线方向系数这一参数。
绝大多数天线都需要通过实际测试来确定其增益，测量天线的增益有比较法和绝对法1、比较法图21-1示出了用比较法测量天线增益的测试系统方框图，其中图中的待测天线和标准天线作为发射天线。
如果与传输线匹配的待测天线和标准天线作为发射天线，比较法测量增益的实质是通图21-1比较法测增益方框图⑴、把待测天线接入信号源，最大方向对准，调可变衰减器，使接受指示器有一个较大的指示值，记下精密可变衰减器分贝值Ax。
⑵、确定最小测试距离和架设高度⑶、进行电道估算选择测量仪器⑷、收发天线应架设在同一高度上，并将转台调到水平105106⑸、检查周围的反射电平及必须具备的测量条件 ⑹、转台转轴尽可能通过待测天线相位中心⑺、接上标准增益天线，最大方向对准，调整精密可变衰减器的值，使接受指示同刚才一样，记下衰减器的分贝值。
2、接待测天线，调衰减器使指示为一个值，记下待测天线输入功率 假定1、阻抗匹配2、极化匹配3、最大方向对准4、距离相同 绝对增益的测量Asx s AxP G G P =如果用精密可变衰减器测量功率 ()/1010()()()()x s A A x s x s x s G G G dB G dB A dB A dB -==+-2、双天线法（两天线相同）假设两天线极化和阻抗均匹配22()41420lg 10lg 2R A A R P P G rP r G dBr P λππ=⎡⎤⎛⎫⎛⎫=-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦由此可见，用两付相同增益的天线，只要测得收发天线之间的距离、工作波长及接收天线的接收功率与天线的输入功率之比即可确定天线的增益。
发烧友谈馈源技术(四)——正馈天线Ku波段接收技术(下
源端 口ｌ ｍ正好 ．波导管平齐馈源端 口和高 出馈 源端 口 ｍ ｌ ｍ．信噪比差值约０ ｄ ．一般天线波导管伸出长度在 ｍ ．Ｂ ３
２ ８ 第１期 ◇ ◇ ０年 ０ ２
馈源端 口０ ２ ｍ 焦径ｔ０ ８ ～ｒ 间 ａ Ｌ ． ．天线伸 出长度ｌ ｍ．适 ３ ｍ 合大多数Ｃ 波段正馈天线 在微调波导管伸出量时．不要
．
１ ｍ网状 天 线 （ 网ＣＫ 兼 容 ）收 视 Ｋ 波 细 ／ｕ ｕ
Ｋ 波段效率低造成 的：次要部分当天线精度校正提高后 ， ｕ
由于偏 馈 高 频头 加 波导 管 后 如前 所 述 变成 非 正规 单 槽 正
勺 正馈Ｋ 头和普通偏馈Ｋ 头的收视效果没 ｕ ｕ 冬 就是０ ｍ ． 偏馈天线的水平 。算一下这面 ９
信噪比达２ ｄ （ ． Ｂ 可能也达极限值） ０ ３ ，１％极差０ ５Ｂ ． ｄ 计算 ． ６
天线效率 达７％．这是 笔者用 过精 度最好 的正馈 天线 ．难 ０ 怪 我把它作 标准测试 天线用
３接圈式平 面Ｋ 馈源 ． ｕ
精度 良好 的天线 加波导 管后天线 效率有所 提升 ．要 求 不高 的人可 以使 用 作 为追求 最高效率 的发烧 友并不满 足
有一次用偏馈高频头调试时偶尔偏向，信
这个现 象还 可理解 ．当时百 思不解 主要是
一
么不能提升增益？从而促使我对天线馈源
｝ ．才有 今天 的初步结 论 这个 结论是 否推
‘
节式波导管 （ ２ ．方便精准测试各型天线波导管长度 图２ ） （ 天线型号不同，波导管伸出长度略有差异） ，当测出最佳 波导管长度后．再制作固定长度波导管投入实用 笔者精
馈 高 频 头 加 接 波 导 管 后 提 升 值 （ 噪 比 ） 除 以０ ５ Ｂ 信 ． ｄ ６
第十章喇叭天线
jβ
RH π D /2 ( −sinθ )2 H 2 β DH −DH /2
∫
e
− jβ
RH x π −sinθ + 2 RH β DH
2
dx
1 π RH j β e = 2 β
RH π ( − sin θ ) 2 2 β DH
{C (t ) − C (t ) − j [ S (t ) − S (t )]}
x = x2 =
DH 时， 2
DH π − − sin θ = u2 2 RH β DH
(10.5b)
得
1 π RH jβ IH1 = e 2 β
1 π RH j β e = 2 β
x
RH π t ( +sinθ )2 2 − j π t 2 2 β DH 2
∫e
t1
dt
(10.6)
4 3 4 3
(10.7)
169
《天线原理与设计》讲稿
王建
式中，
t3 = −
β RH π
DH π − + sin θ = −u3 2 RH β DH
(10.8a)
t4 =
β RH π
DH π + − sin θ = u4 2 RH β DH
(10.8b)
t=
β x π [ − RH ( + sin θ )] = π RH β DH
β π RH
dx ，
dt =
dx =
π RH dt β
x = x1 = −
DH 时 ， 2
t1 = −
t2 =
β RH π
β RH π
DH π + + sin θ = −u1 2RH β DH
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Ku波段角锥喇叭天线的增益分析屈乐乐;桂客【摘要】针对目前基于远场Friss公式建立起来的传统三天线法测量天线增益过程中测量结果不确定程度很大的问题,文中以Ku波段角锥喇叭天线为例,首先提出用理论公式法计算出该波段的角锥喇叭天线的增益,从而分析出该角锥喇叭天线的理论增益值,然后利用平面近场测试系统和外推法测试系统的实测结果来做比较分析.分析结果表明在Ku波段,与理论公式法计算得到的角锥喇叭天线增益值相比,平面近场测试系统的比较法与外推法结果相差较小,可以作为很好的天线增益测量方法.【期刊名称】《沈阳航空航天大学学报》【年(卷),期】2018(035)002【总页数】5页(P72-76)【关键词】天线增益;角锥喇叭天线;平面近场测试系统;外推法【作者】屈乐乐;桂客【作者单位】沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136;沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TN015角锥喇叭天线是一种比较常见的口径面天线，它实际上可以看作是开口展开的波导，其优点是结构比较简单，在目标成像、遥感、无线通信等领域广泛应用。
长期以来，国内天线增益的精准测量技术一直处于空白状态，而国外的天线增益测试已经达到了计量测试水平，使天线增益计量测试结果的测试不确定度达到±0.01 dB～±0.05 dB之间。
目前国内常规天线校准的主要方法是传统三天线法，由于未能解决天线之间的互耦问题及未能考虑测试场地对天线锥削幅度的影响，传统三天线法导致增益的测量不确定度很大[1-2]。
20世纪50年代，Kerns等提出了平面波展开理论[3]，后来人们根据平面波理论推导出了天线近场增益方程，阐述了近场增益的测量技术及其优点，而外推法天线增益测试技术是基于Wacker的平面波散射矩阵理论得出 [4]，由美国国家标准与技术研究院开发并建成实验装置，中国计量科学研究院也新建成了该测试实验室。
由于角锥喇叭天线增益的精确测量十分重要，并且在噪声发射率测量、功率密度标准和雷达散射截面中都需要准确的天线增益测量值[5]。
本文对于传统的三天线增益测量方法中引入的误差问题提出了三种增益测试方法。
首先采用理论公式法计算天线的理论增益值，然后通过天线平面近场、远场测试系统和外推法天线测量标准装置来测试，分析出公式法计算的增益值与外推法实测值差别较大，平面近场测试系统中的比较法实测值与外推法实测值相差较小，可以作为很好的天线参数的测量平台。
1 角锥喇叭天线的理论增益分析角锥喇叭天线又称为矩形口径喇叭天线，其辐射特性是由E面和H面扇形喇叭的结合而成[6-7]，其结构示意图如图1所示，a和b分别表示矩形波导的长边和短边，AE和AH分别表示喇叭口径的长边和短边，L1和L2分别表示喇叭口径在E 面和H面的斜径，R1和R2分别表示喇叭口径在E面和H面的半径，Le和Lh分别表示喇叭口径上下两个口径面之间的距离。
图1 角锥喇叭结构示意图天线的馈电波导应该满足单模传输，即只传输TE10模，因为这样可以使信号的能量尽可能集中，而且可以减小损耗并避免其他模式的干扰。
任意角锥喇叭天线的增益可以表示为[8](1)式中(2)(3)(4)其中，C(W)、S(W)、C(U)、S(U)、C(V)、S(V)都是菲涅尔积分。
(5)(6)根据以上公式，可以计算出角锥喇叭天线在12.4～18.0 GHz频段内的增益值，此方法称为公式法，通过公式法计算得到的增益曲线如图2所示。
图2 角锥喇叭天线增益理论值2 角锥喇叭天线增益的测试分析2.1 平面近场测试系统增益测试分析本文中首先使用的是平面近场天线测试系统，这是一套高自动化、高精度的天线测试系统。
频率范围为1 GHz～40 GHz，该系统可以完成对口径天线的近场幅度和相位测量并自动转换到远场，测试效率较高，使用方便[9]。
图3是平面近场测试布置图。
图3 平面近场测试布置图平面近场测试系统中增益的计算方法有两种，分别是直接法和比较法。
影响直接法的关键因素是电缆的损耗、探头的增益和探头方向图，其不确定度较高。
通常平面近场法天线增益测量常采用比较法，比较法测量天线增益的原理是标准增益天线的增益是已知的，需要进行两次测量，分别是标准增益天线和待测天线，比较后计算出待测天线的增益[10]。
比较法使用的标准增益天线是比较法增益测量的主要误差，需仔细校准。
图4为该频段平面近场测试系统比较法增益测量结果的曲线图。
图4 比较法增益曲线2.2 外推法增益测试分析三天线外推法天线测量的基础理论是平面波散射矩阵[11-14]以及由此推导出的天线耦合方程和功率级数展开方程。
实际测量时可依赖高精度导轨测量由近及远一系列距离下的收发天线之间的插入损耗P(d)，如式(7)所示。
(7)其中PR和PT分别是天线馈入功率和天线接收功率，K是收发天线馈电端口相连时的传输损耗，d是收发天线之间的距离。
根据功率级数展开理论，耦合方程P(d)d2可表示为多次反射(8)其中A1、A2、A3…An是功率级数展开系数。
通过天线互耦抑制滤波算法滤除天线之间多次反射和测量环境影响[15-16]，基于有限阶多项式拟合算法忽略其中的高阶耦合项，从而得出有限个功率级数展开系数，如含三个系数的拟合结果为(9)当测量距离被外推至无限远处时，结合Friss传输公式，利用式(9)中的拟合系数A1，可得收发天线在无限远处的增益乘积GTGR，如式(10)所示。
d→,(10)其中，GT和GR分别是发射天线和接收天线的增益，c是光速，f是频率。
由公式(10)可得(11)用同样的方法，按照图5所示的三天线配对方法重复测量，可以得到三个天线在无限远处的绝对增益。
图5 三天线外推法测量配对通过中国计量科学研究院的高性能外推法测量装置来测试该波段的角锥喇叭天线的增益，测试装置如图6所示，测试得到增益曲线图如图7所示。
从图7可以看到经过修正后的三天线外推法增益测量值曲线趋势平缓且符合实际工程的要求。
由于三天线外推法基于严格的平面波散射矩阵理论[17]，有效地减少了测量距离对测量结果的影响，并且通过数值滤波等技术滤除了待测天线和源天线之间多重反射问题，得到天线的绝对增益值，测量结果非常精确。
图6 NIM外推法装置图7 外推法增益曲线图3 结果比较上文中详细叙述了三种天线增益的测试过程，将该角锥喇叭天线增益的三种结果绘制如表1所示，从表中可以发现，三种方法得到的天线增益值是有差异的，由于三天线外推法的精密装置较稳定且测量精度可以达到国际先进水平，把图7的测量结果作为“参考值”是很合理的(理由如外推法增益测试分析中所示)。
为了进行比较，把比较法和公式法结果分别与外推法相减得到图8，可见比较法与外推法之间差别小于0.27 dB ；公式法与外推法之间差别小于0.35 dB。
上述数据差值显示，对该波段的角锥喇叭天线的增益而言：(1)由图8可见，由于未考虑具体测量中的实际环境因素，公式法计算得到的增益值与外推法增益值差别较大，不能作为该天线增益很好的参考值；(2)平面近场测试系统的比较法与外推法结果差别较小，可以作为很好的增益测量方法。
表1 增益结果比较频率/GHz公式法/dBi比较法/dBi外推法/dBi12 423 5223 1623 25 12 923 7123 2223 50 13 423 8723 3323 59 13 924 0223 6023 76 14 424 1523 7123 97 14 924 2623 8024 05 15424 3623 9324 14 15 924 4424 1324 29 16 424 5124 2224 3816 924 5624 3024 53 17 424 6124 2824 59 17 924 6424 4124 55 图8 增益差别比较4 结论通过对Ku波段角锥喇叭天线的增益值的理论公式法计算以及利用外推法测试系统和平面近场测试系统对该天线进行测试分析，发现公式法计算的增益值与外推法实测值差别较大，相比之下，平面近场测试系统中的比较法与外推法相差较小，说明平面近场测试系统可以作为天线参数很好的测量平台。
另一方面，传统的三天线测量法只涉及了天线的幅度信息，未包含相位信息，并且未考虑测量距离的影响以及天线之间的耦合问题；平面近场测试系统的测试结果虽包含了天线的幅度和相位信息，但是由于测试环境有限和采样探头的影响，测量结果的不确定度依然很大。
因此对于天线增益而言，外推法测试系统很好地解决了上述方法中存在的缺陷，结果更加准确。
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