一种用于近场天线测量的双偏振宽带探头

苏鲁提
研究生[通信工程]，欧洲经委会，KMEA工程学院，科钦，喀拉拉邦，印度

摘要

天线是通信链中最重要的部分之一。它们用于通信和校准目的。涉及近场探头的天线测量技术是最近发展起来的一个领域。探测技术的新发展使近场探测具有更大的带宽。本硕士论文的目标是设计、模拟和制作一种双极化宽带倒四边形脊形喇叭天线，该天线可作为近场测量的测量探头。典型的探针如开放式波导、偶极子天线探针等在移动通信频段中体积庞大。此外，它们是窄带探测器。倒转四脊喇叭天线探头不仅提供更宽的测量范围，而且还提供双极化测量，从而使天线开发人员能够更精确地测量UWB, UHF, VHF天线，成本更低。该天线具有高增益、轻重量、线偏振和抑制侧瓣等特点，适用于近场测量应用。所提出的天线是用商用软件包(如Ansoft HFSS)进行模拟的。 The antenna gives a moderate gain over operating range while delivering a wide bandwidth.

关键字

近场天线测量，倒装四脊喇叭天线，宽带天线，双极化天线，Ansoft HFSS。

介绍

微波通信涉及辐射和接收电磁能的系统。这些系统都需要某种类型的天线来获取能量。天线是现代通信系统的基本组成部分。迄今为止，人们已经开发了各种各样的天线，从单极子和偶极子等简单结构到相控阵等复杂结构。为某一目的而选择的特定类型的天线取决于系统的要求。天线测量也是一个主要的关注领域。目前，不同的测试方法与用于测量天线的两个不同区域相关。远场区域，也被称为辐射远场或夫琅和佛区，定义为电磁波模式不随距离[1]而改变的区域。天线制造商很少承担成本更高、资源要求更高的远场测试。虽然远场没有严格的定义，但对于电大天线，一个常见的近似在数学上表示这个区域为d≥2D2/λ，其中d是天线到传感器的距离，d是天线的最大维度，λ是波长。另一个不涉及天线大小的常见近似是d>10λ[1]。

通常天线测量是在远场范围内完成的。远场测量有一些缺点，包括天气、电磁干扰、安全问题等。天线开发人员使用的消声室的距离长度为r > 2D2/λ，这在许多情况下意味着较大的距离。因此，为了满足距离，暗室的距离必须增加，这是不经济的。喇叭天线的选择是由于其易于建造和宽带性能。在喇叭中引入脊线可扩大带宽使用，并提供从50欧姆到377欧姆自由空间阻抗的平滑阻抗转换。由于倒立四脊喇叭天线具有固有的鲁棒性、宽带宽、高增益、高方向性和高峰值功率处理能力，因此选择了倒立四脊喇叭天线。具体来说，考虑的频段是1-18 GHz。下一步是设计具有精确尺寸的天线，使其满足上述特性。因此，有必要在制造前使用仿真程序对天线的性能进行测试。 In order to calculate the full three-dimensional electromagnetic field inside a structure and the corresponding S-parameters, High Frequency Structure Simulator (HFSS) software is used. This paper analyzes the performance of an inverted quad-ridge horn antenna to be used as a probe for near-field antenna measurements.

文献调查

4- 28ghz双脊锥形喇叭天线的仿真研究工作是在一个锥形的双脊喇叭天线上完成的。设计的喇叭在整个带宽范围内的驻波比小于1.6。本文介绍了脊的几何结构和设计。使用的软件是CST Microwave Studio。

双脊和四脊Hom天线用于微波肿瘤检测的比较作者Hana Amjadi, Mohammed Ismail介绍了一项高分辨率和高对比度微波成像在早期乳腺肿瘤检测中的研究。

用于空间应用的圆极化、双馈、高增益、轻重量、带抑制旁瓣的宽带锥形喇叭天线和高性能天线罩的设计和测量技术。

介绍了一种应用于太空的圆极化高增益锥形喇叭天线的设计与测量技术。

[4]一个新的2- 18ghz四脊喇叭天线

Dubrovka和s.i. Piltyay提出了一种宽带(2 - 18ghz)四脊锥体喇叭天线的新设计。在工作频率范围内，驻波比不超过1.8。这项工作解释了一个四脊喇叭天线。天线是双极化的。本文解释了当需要宽带或超宽带喇叭时，在波导过渡部分和耀斑部分都需要有脊。在波导的E/H平面上插入脊，降低了最低截止频率，同时增加了下一个更高模式的截止频率。该工艺已在锥形喇叭天线上完成。

高功率波导馈电宽带圆极化截角天线设计

在这篇论文中，Theng Huat Gan和Eng Leong Tan描述了一种波导馈电宽带CP截断喇叭天线的设计，用于高功率应用。它由CP截断喇叭天线和截断方形到矩形的波导转换组成。通过截断角来获得CP模态。

[6]使用宽频带双极化探头测量精确的低交叉极化

这里已经表明，具有相对低轴比的宽带探头可以校准以获得更好的性能。本文介绍了一种可作为近场探头的低交叉极化测量方法。作者的Patrick Pelland和Allen Newell将开放端波导与线偏振探头进行了比较，并得出结论:OEWG不需要校准，但线偏振探头需要校准。

800mhz ~ 18ghz小型天线球形近场测试

本文已发展到涵盖从800MHz到18GHz的整个频段。新系统提供更宽的带宽，探头阵列的速度优势，而机械旋转允许无限的角度分辨率超过整个球体。L. J. Foged, J. Estrada和P. O. Iversen通过与参考数据的比较讨论了测量精度，这有助于了解这种天线的性能特征。

[8]用于球形近场天线测量的宽带可伸缩探头

作者Oleksiy S. Kim, Sergey Pivnenko和Olav Breinbjerg提出了一种开边界四角喇叭的设计，用于球形近场天线测量的宽带可伸缩双线性偏振探头。本文讨论了回波损耗、驻波比测量和辐射图测量。

喇叭天线

a .喇叭天线的结构

喇叭是测量应用中应用最广泛的微波天线。喇叭天线用于300mhz[2]以上的射频应用。这种类型的天线由一个喇叭状的金属波导组成，以引导无线电波形成波束。它们主要用作标准定标的馈线，以测量其他天线的增益，以及雷达枪、自动开门器和微波辐射计的指示天线。它们具有低驻波比、宽带宽、结构和调整简单等优点。

喇叭天线通常如图1所示，用于通过控制波的方向，将射频微波信号引导到特定的方向，使其能够以更高的精度覆盖更大的距离。一个简单的喇叭天线结构如图1所示。对于近场天线测量，通常使用开放式波导。这种开放式波导的缺点是它们的增益较低。为了获得更大的增益，需要更大的孔径，但不需要更长的波导。因此，如果波导尺寸慢慢扩大或逐渐缩小到更大的孔径，我们就会得到一个喇叭，从而增加阻抗匹配，从而提供更好的增益性能[4]。

设计

下面讨论探头天线的设计注意事项。项目规范如下:

•天线类型双极化探头

•频率BW 1-18GHz

•返回损失< - 10db

•VSWR < 2:1

•偏振双线H & V

•天线增益7 dBi

•阻抗50欧姆

B.圆脊波导的设计

与矩形波导相比，圆形波导具有实现优势，在转弯和偏移时安装更简单，特别是当涉及大半径时，圆形截面上的风载荷更小，这意味着塔不需要那么坚固。制造通常也更简单，因为只有一个维度-半径-需要保持。

C.锥形喇叭的设计

模拟被用来调整装置，但锥形喇叭的基线几何形状是用公式找到的。

D.四边形脊状结构

脊状喇叭天线是将脊状体集中加载在喇叭天线内形成的。脊的主要功能是扩大原有喇叭的工作带宽。由于这一特性，脊状喇叭在宽带应用中很有用，如EMC/EMI测量，医学成像和电子战应用。由于脊状圆锥形喇叭比其他喇叭性能更好，易于构造，因此考虑采用脊状圆锥形喇叭。基于此，本论文[7]设计了一种锥形脊喇叭天线。

四脊喇叭天线的一个优点是能够发射和接收双线极化。由图6可知，对于四脊喇叭，随着频率的增加，缩小的是相位均匀的孔径面积。这主要是通过山脊剖面得到的。由于所提出的天线是双极化的，所以用脊状波导[8]代替圆形天线。

仿真结果

脊状波导结构的HFSS模型如下图6所示。喇叭天线的尺寸已被调整，以方便地在9.5 GHz中心频率工作。仿真使用了天线求解器。天线尺寸如下:

天线长度(l) = 130mm

圆形波导截面直径d = 30mm

喇叭口直径= 50mm

传统的双极化场探头一般基于外平衡馈电的Ortho Mode结(OMJ)。OMJ结构完全对称，使用两对激励引脚，一对用于每个极化。引脚由一对高精度3dB, 0º/ 180º混合馈电，以确保正确匹配，并最大限度地提高交叉极性性能[8]。由于混合耦合器不满足宽带特性，设计了一种脊状波导。插入脊以提供宽带宽。为了满足这一要求，首先设计了一种脊状波导。第一步是插入脊线并迭代。由于脊的插入，整个带宽的驻波比都不能满足要求。倒立四脊喇叭天线的截图如图4所示。

天线的反射系数图如下所示。S11小于-10dB将是所需的值。

因此，频率低于-10dB的范围在这里是特别有趣的。从图中可以清楚地看出天线的带宽是18GHz。

E.水平偏振的驻波比

从图5所示的图中可以看出，整个频率范围的驻波比指标都满足要求，小于1.8。因此，对于水平极化天线工作在1-18GHz频率范围内。VSWR的最大值小于1.9。

F.水平极化的回波损失

水平极化的回波损失如图6所示。它被发现在规格范围内。

G.垂直偏振的驻波比

垂直极化时，图7的回波损耗小于-10dB。这样就满足了特定规格的特性。

H.垂直极化的回波损失

图8中VSWR的最大值小于1.9。平均驻波比为1.6295。

一、天线图

辐射图是一种绘制天线辐射能量的方法。这种能量是在距离天线恒定的不同角度测量的。在极坐标图中，点是通过沿旋转轴(半径)投影到几个同心圆中的一个的交点来定位的。

J.波束宽度

仍发射至少一半最大功率的天线图的角范围被描述为波束宽度。因此，这个主波瓣的边界点是房间中场强下降到最大场强3分贝左右的点。这个角度被描述为波束宽度或孔径角或半倍(- 3db)角-记为Θ(也记为φ)。

波束宽度Θ正好是上面图片中两个红色标记方向之间的角度。角度Θ可以在水平面(标记为ΘAZ)和垂平面(标记为ΘEL)中确定。光束宽度计算为600。

K.极坐标图

下图为锥形喇叭天线的三维极坐标图。能量分布可以从极坐标图推断出来。红色表示最大场分布。喇叭天线是一种定向天线，具有一个从耀斑开口定向的主瓣。

制造、测量和结果

倒立的四棱喇叭已被组装成碎片。锥形部分是用车床制造的。脊状部分是用数控铣床制造的。脊是用螺栓固定在侧壁上的。同轴电缆通过一个脊，其中心导体连接到对面的脊。第二偏振的同轴线在物理上高于第一偏振。倒立四脊喇叭天线采用3mm厚度的铝加工而成。制作天线的照片如图11所示。

结果与讨论

仿真结果表明，该天线在1 ~ 18ghz频段具有良好的性能。因此在仿真过程中可以满足较大的带宽要求。VSWR和回波损失也符合标准。制作后的VSWR测量值表明，整个频带的VSWR小于3，而垂直极化的平均VSWR为2.5，水平极化的平均VSWR为2.2。

尽管测量值和模拟值略有不同，但VSWR高达2是规范，但如果VSWR不超过3:1，天线就足够好了。因此，该天线被认为在频率1GHz及以上工作良好，从而提供了宽带宽。

结论

经过多年的发展和独立的行业评估，近场天线测试已经成熟，是表征天线的首选方法。传统的远场测量范围往往不足以准确地测试这种天线。近场测量技术已被开发用于提高精度、吞吐量、降低成本和提供天线诊断。设计了一种紧凑、带宽宽、与AUT相互作用少的近场探头。喇叭天线被认为是一种带宽很宽的天线，因此可以测量频率在L、S、C和x等高频波段的天线。脊状波导提供了宽频率范围的测量。反转脊线得到四个对称的接入点，从而可以测量双极化。这种天线尺寸小，因此减少了AUT和探头之间的耦合。