CN113065248B - 一种近距离探测器天线的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近距离探测器天线设计方法，属于毫米波天线技术领域。包括：步骤1、建立半波偶极子天线模型并对天线参数进行优化，得到优化后的振子天线模型；步骤2、选择喇叭天线的尺寸与材质；喇叭天线包括喇叭与天线馈源，天线馈源为步骤1优化后的120GHz半波偶极子天线；喇叭采用圆波导；步骤3、建立并选择天线风帽的结构型式、尺寸、内壁厚度及材料，确定高透波材料介质、风帽壁和风帽前端厚度及风帽到天线的距离进而设计风帽，具体为：3.A)选择高透波材料介质选择、风帽壁和风帽前端的厚度及风帽到天线距离；3.B)对风帽建模。所述方法设计的天线结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便，有很高的分辨力与追踪能力，极大提高了探测器的抗干扰能力。

Description

一种近距离探测器天线的设计方法

技术领域

本发明涉及一种近距离探测器天线的设计方法，属于毫米波天线技术领域。

背景技术

频率为300MHz-300GHz的电磁波是微波频段，波长在1mm-1m之间。对微波进行频带划分又可分为分米波、厘米波和毫米波，其中，频段从30GHz到300GHz的电磁波为毫米波，处于微波频段范围的高端。近年来，毫米波技术发展迅速，特别是单片微波集成电路的发展有力推动了毫米波探测器的广泛应用。毫米波的优点在于波长较短容易实现较窄波束宽度，在探测对象方面有很高的分辨力与追踪能力，用小尺寸天线就能得到高的增益，且极宽的可用频带便于提高距离分辨能力，极大提高探测器的抗干扰能力。

理论及实践证明，当天线长度为信号臂长的1/4时，天线的发射与接收转换频率是最高的。本申请天线采用半波偶极子天线进行模型设计，寻找天线增加喇叭和风帽时的最佳参数，找到天线最好性能的参数。半波偶极子天线是一种结构简单的基本天线，也是迄今为止使用最广泛的经典天线之一。

喇叭天线在军事和民用上应用都非常广泛，是一种常见的测试用天线。采用圆形波导馈电的喇叭进行仿真，来提高天线的增益。喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点是结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便。合理的选择喇叭尺寸，能够取得良好的辐射特性：相当尖锐的主瓣，较小副瓣和较高的增益。

本申请采用半波偶极子天线作为仿真模型。半波偶极子天线是由两根直径和长度都相等的直导线组成，每根导线的长度都为1/4个工作波长。但实际应用中大多数情况都要适当缩短长度，为了实现谐振使输入阻抗接近纯电阻，很多时侯和理论值存在偏差。在仿真过程中需对理论数据进行参数优化。导线直径远小于工作波长，天线激励是等幅反向的电压信号，加在天线中间的两个相邻端点上，且天线中间的两个相邻端点间的距离远小于工作波长，可忽略不计，在仿真过程中，选取一个远小于导线长度的数值作为距离参数。

天线直接裸露在外工作，会受到自然界中风雨以及太阳辐射等侵袭，导致天线的精度降低，也会致使天线的使用寿命缩短、工作可靠性变差。因此要对天线进行保护，在天线外部安装风帽，减缓天线的磨损以及老化，延长其使用寿命。

但是，风帽会对天线辐射波产生吸收和反射，会引起传输损耗，从而影响天线的增益，还会影响天线波束宽度。在一定程度上，风帽的添加对天线的电气性能有着很大影响，因此，设计风帽时需要对结构形式、风帽尺寸、内壁厚度、材料选择等结构参数进行综合考虑。在本次设计风帽进行仿真时，改变风帽材料、内壁厚度、前端厚度及风帽位置参数；观察不同的改变对天线性能不同方面的影响，并设计出综合性能最好，天线电气性能遮挡最小的风帽。

发明内容

本发明的目的在于针对毫米波天线体积较大、增益难提高、衰减大、波束宽度过宽、频率范围窄的技术缺陷，提出了一种近距离探测器天线设计方法，该设计方法通过设计振子天线、喇叭天线及天线风帽的频段、尺寸及材料，使得天线具备中心频率高、体积小、天线增益高、衰减小、波束宽度窄且频带宽的优势。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。

所述一种近距离探测器天线的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、建立半波偶极子天线模型并对天线参数进行优化，得到优化后的振子天线模型，具体为：

步骤1.1计算天线的工作波长以及半波振子的间距；

其中，工作波长通过λ＝c/f计算，半波振子的间距通过l＝λ/4计算；

步骤1.2设计半波振子的端点距离以及天线半径；

其中，端点距离以及天线半径小于工作波长的1/50；

步骤1.3定义天线工作频率与输入阻抗并进行天线尺寸优化，得到满足工作频率以及波束宽度的天线模型；

步骤2、选择喇叭天线的尺寸与材质；

其中，喇叭天线包括喇叭与天线馈源，天线馈源为步骤1优化后的120GHz半波偶极子天线；喇叭采用圆波导；

喇叭材料为以锌为主的合金元素铝合金；

步骤3、建立并选择天线风帽的结构型式、尺寸、内壁厚度及材料，设计出天线电气性能遮挡最小的风帽；

步骤3、建立并选择天线风帽的结构型式、尺寸、内壁厚度及材料，确定高透波材料介质、风帽壁和风帽前端厚度以及风帽到天线的距离，进而设计风帽；

步骤3.1选择变换参数，具体包括：高透波材料介质选择、风帽壁和风帽前端的厚度以及风帽到天线距离；

步骤3.2对风帽建模；

步骤3.3仿真数据分析，确定风帽结构参数，具体为：对步骤3.1和步骤3.2的变换参数及风帽建模的数据进行仿真和分析得到性能优异的结构参数。

有益效果

本发明所述的一种近距离探测器天线的设计方法，与现有天线及设计方法相比，具有如下有益效果：

1.所述方法设计的天线具有结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便的优势；

2.所述方法设计的天线具有体积小及尺寸小的优势，天线增益高达17dB，探测对象方面有很高的分辨力与追踪能力；

3.所述方法设计的天线频带很宽，其频带便于提高距离分辨能力，极大提高了探测器的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明一种近距离探测器天线设计方法的流程图；

图2是依托本发明一种近距离探测器天线设计方法设计的振子天线模型；

图3图2振子天线的S11参数图；

图4是本发明一种近距离探测器天线设计方法设计天线的远场增益图；

图5是本发明一种近距离探测器天线设计方法设计的振子天线的方向图；

图6是本发明一种近距离探测器天线设计方法设计的喇叭的尺寸示意图；

图7是本发明一种近距离探测器天线的设计方法中步骤2设计的喇叭天线模型；

图8是本发明一种近距离探测器天线的设计方法中步骤2设计的喇叭天线方向图；

图9是本发明一种近距离探测器天线的设计方法中步骤2设计的天线远场增益图；

图10为本发明所述天线的设计方法步骤3建模的风帽尺寸示意图；

图11为本发明所述天线的设计方法步骤3增添风帽后天线模型。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明所述一种近距离探测器天线及其设计方法的具体实施方式做进一步说明。

实施例1

本实施例阐述了应用本发明所述一种近距离探测器的天线设计方法的原理、核心思想及具体实施过程，如图1所示。

步骤1.1具体实施时，设计工作频率为120GHz的半波偶极子天线，通过公式λ＝c/f求得天线的工作波长2.5mm，通过l＝λ/4计算出组成天线两条导线即两个半波振子的长度0.625mm；半波偶极子天线的馈电点在半波振子的中心，馈电点的阻抗为纯电阻，近似75Ω，具体实施时，约73.2Ω。

步骤1.2具体实施时，由于半波偶极子天线的导线半径与两根天线臂的端点距离要远小于天线臂的长度，因此设定天线半径为0.0125mm，端点距离为0.025mm；

其中，天线臂的长度即半波振子的间距；

步骤1.3具体实施时，由于天线波导的输入阻抗也与理论值有偏差，因此通过CST的数据后处理模板对天线的工作频率与输入阻抗进行定义，并以此来进行尺寸的进一步优化，最终得到满足设计要求的天线模型；经过参数优化后的天线模型与性能参数；经优化后天线工作频率在120GHz时增益为2.186dB，波束宽度为78deg。

图2中，L为振子天线的长度＝0.553inch，R是天线导线的直径，0.011inch；G是两条导线的长度0.022inch，约等于0.5mm。

图3是图2振子天线的S11参数图；图4是天线远场增益图，从图4能够看出，振子天线的中心频率为120GHz，波束宽度接近180度；主瓣增益为2.19dB，主瓣方向为90度，3dB角度宽度为78度；图5为振子天线的方向图，可以看出，天线增益为2.186dB，方向几乎是全覆盖的全向天线。

步骤2具体实施时，喇叭尺寸选择合理，辐射特性良好，具体为：主瓣相当尖锐、副瓣较小和增益较高；喇叭天线具体实施时，采用圆形波导馈电的喇叭提高天线的增益。所采取的喇叭尺寸大小如图6所示，6a和6c是喇叭天线的侧视图；6b是喇叭天线的顶视图。喇叭天线包括喇叭与馈源，120GHz半波偶极子天线作为天线馈源，喇叭将采用圆波导进行馈电。

根据上述喇叭的尺寸，在原有的半波偶极子天线上构架出喇叭的模型，材料选用铝合金材质，采用真空环境，喇叭建模完成后如下图7、图8和图9所示。

对天线模型进行仿真后，查看添加喇叭后的天线性能参数，并与原始天线进行对比，看到天线的工作频率在120GHz处的增益及波束宽度发生了变化，120GHz处天线增益提高，变为17.61dB(振子+喇叭天线总增益，其中，振子为6dB(3-6dB)，喇叭总增益11.6dB-13dB)，波束宽度变窄，变为6.1deg(由全向(180度)设计到6.1度)。

步骤2具体实施时：喇叭材料为7075系铝合金，7075铝合金以锌为主要合金元素，强度高，耐腐蚀效果强，用于薄壁且强度要求高的电子产品结构件，是商用最强力合金之一。经过初步设计，风帽尺寸与外形如图10所示。下面就将对该风帽进行参数改变，来观察对天线性能的影响。

步骤3具体实施时：改变风帽材料、内壁厚度、前端厚度及风帽位置参数，查看天线性能参数，观察不同的改变对天线性能不同方面的影响，得到风帽尺寸，具体为：观察风帽各个参数的变化对天线性能的影响，实际设计时与理想仿真的数据有出入；风帽材料的含量不均以及制作过程中杂物的混入会改变材料的介电常数和介质损耗角正切，会增加传输过程中的能量损耗；由于工艺的局限性，风帽壁较薄的风帽往往达不到设计的要求，通过仿真数据我们知道：在最佳设计厚度的基础上，厚度的增减都会造成天线增益的衰落。

根据仿真出的风帽尺寸，在步骤2的喇叭天线上进行风帽建模。由于CST软件的材料库中没有材料B和材料C，用CST建立并模拟两种新材料进行仿真，经过对材料B和材料C的电气性能查阅，在CST材料库中构建出新的材料来模拟材料B和材料C。增添风帽后天线模型如图11所示。对风帽进行参数化建模后，通过改变参数，对风帽的形状，位置，材料以及介质损耗角正切进行变化，通过仿真得出天线的性能参数，并整理出表格，方便进行对比与分析。

通过对上述参数的仿真，经过整理后得出以下表格中的数据：

(1)使用材料A(介电常数：2.55)时，对风帽介质损耗角正切分别为0.1、0.01以及0.001三种情况下，风帽厚度、与喇叭距离改变的性能参数：

表1材料A损耗角正切0.1条件下的参数及性能

表2材料A损耗角正切0.01条件下的参数及性能

表3材料A损耗角正切0.001条件下参数及性能

使用材料B(介电常数：2.6)时，通过对风帽介质损耗角正切、风帽厚度、与喇叭距离的改变，可以得到以下表4到表6性能参数。

表4材料B损耗角正切0.1条件下参数及性能

表5材料B损耗角正切0.01条件下参数及性能

表6材料B损耗角正切0.001条件下参数及性能

使用材料C(介电常数：2.65)时，通过对风帽介质损耗角正切、风帽厚度、与喇叭距离的改变，可得到如表7、表8到表9的性能参数。

表7材料C损耗角正切0.1条件下参数及性能

表8材料C损耗角正切0.01条件下参数及性能

表9材料C损耗角正切0.001条件下参数及性能

介质损耗角正切为0.001时，增益和波束宽度要进行折中，增益和波束宽度均越大越好。由上述数据表1到表9可以看出，由于三种材料的介电常数相差较小，材料对天线电气性能的影响差别不是很大。通过仿真数据发现，添加风帽后由于风帽的厚度与高度的改变，天线的增益及波束宽度发生了起伏变化，但对比原天线，添加风帽后天线的增益还是发生了衰减，而在相同的工作频率下介电常数和介质损耗角正切较低的材料对天线性能的影响要低一些。

对材料A、材料B以及材料C进行对比发现，随着风帽厚度的变化，材料的天线增益均发生曲线起伏变化，且极大值与极小值之间相差很大。在数据中能够找到设计的最佳厚度；在此基础上，厚度增减都会引起天线增益的下降。在仿真的数据中随着喇叭与天线距离的增加，天线增益的变化也呈曲线型改变，但增益整体是增加的，天线与风帽之间保持适当的距离时，风帽对天线的影响要低一些。制作风帽时，风帽厚度范围为1mm到10mm，高度范围为0到2.5mm，距离喇叭2到8mm。

在现有的仿真数据中能够找到风帽的最佳设计材料，厚度与位置，当使用材料A制作风帽时，风帽厚度2mm，距离喇叭2.5mm时天线的性能最好。用该参数我们对风帽前端厚度进行变化，来观察天线的电气性能。通过CST建模，从风帽顶端的外部形状与内部形状两个方面对原有风帽的前端进行改变，对风帽外形改变后进行仿真，可得到以下数据。

表10风帽顶端的外部形状/内部形状变化时的参数及性能

表11风帽顶端的外部形状/内部形状变化时的参数及性能

由表10和表11看出，风帽前端厚度对天线性能也有一定的影响，在仿真的数据中，风帽前端厚度过厚过薄会引起传输过程中能量损耗，天线增益发生衰落。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种近距离探测器天线设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、建立半波偶极子天线模型并对天线参数进行优化，得到优化后的振子天线模型；步骤2、选择喇叭天线的尺寸与材质；步骤3、建立并选择天线风帽的结构型式、尺寸、内壁厚度及材料，确定高透波材料介质、风帽壁和风帽前端厚度以及风帽到天线的距离，进而设计风帽，具体包括如下子步骤：步骤3.1选择变换参数，具体包括：高透波材料介质选择、风帽壁和风帽前端的厚度以及风帽到天线距离；步骤3.2对风帽建模；步骤3.3仿真数据分析，确定风帽结构参数，具体为：对步骤3.1和步骤3.2的变换参数及风帽建模的数据进行仿真和分析得到性能优异的结构参数；

步骤1，具体为：步骤1.1计算天线的工作波长以及半波振子的间距；步骤1.2设计半波振子的端点距离以及天线半径；步骤1.3根据天线工作频率与输入阻抗并进行天线尺寸优化，得到满足工作频率以及波束宽度的天线模型；

步骤2中，喇叭天线包括喇叭与天线馈源，天线馈源为步骤1优化后的120GHz半波偶极子天线；喇叭采用圆波导。

2.根据权利要求1所述的一种近距离探测器天线设计方法，其特征在于：步骤1.1中，工作波长通过λ＝c/f计算，半波振子的间距通过I=λ/4计算。

3.根据权利要求2所述的一种近距离探测器天线设计方法，其特征在于：步骤1.2中，端点距离以及天线半径小于工作波长的1/50。

4.根据权利要求1所述的一种近距离探测器天线设计方法，其特征在于：步骤2中喇叭材料为以锌为主的合金元素铝合金。