天线的设计、制作及性能测试

摘要：一般在用户提出天线性能指标和交货时限以后，天线的加工流程包括以下基本步骤：1，天线形式的确定；2，建模、仿真及优化；3，天线模型的工程制图；4，实验天线的制作、测试与评估；5，根据实验结果确定天线最终尺寸参数（当实验结果基本符合需求方天线性能指标时）或者更改天线形式（当实验结果未达到需求方天线性能指标时）；6，根据第5步的结果，决定批量生产或者重新返回第1步。本文以一个具体的工作在L频段（1.49—1.58GHz）由一个改良的50—100欧姆同轴线馈电的广角（±60⁰范围内>0dBi）左旋圆极化天线为例，介绍其设计、制作和测试流程、以及相关软硬件的使用和需要注意的事项。

1，          引言

天线是任何无线电系统必不可少的组成部分，它是传输线中电磁能量与空间电磁波能量的转换装置。

因为天线形式多种多样，而每种天线都有其自身的优缺点，比如高增益(High gain)天线必然难以实现波束宽度(Beamwidth)上的广角覆盖；超宽带天线往往难以保持各个频点上方向图的一致性；平面印刷（微带）天线在带宽、方向性、辐射效率等性能指标上常常表现为顾此失彼；不同形式的天线对工作环境（温度、气压、冲击力、功率等）的承受能力也各不相同，所以在天线设计和制作的初始阶段，就需要综合、折中考虑，选择最能满足用户性能指标的天线。在确定天线基本形式以后，一般会进入建模仿真阶段，在建模仿真的过程中要从基本理论分析中区分影响天线性能的主要与次要因素。对于影响天线性能的主要因素，比如在场强分布比较强烈的地方，即使是一个小螺钉的影响，都要在建模中予以体现并进行分析；而对于次要因素，则可以适当的化简甚至约去，以减少模型复杂度缩短计算时间。当初步仿真得到一个有效的符合指标的天线模型时，一般不能急于批量生产，而是{zh0}先制作一个天线（称之为实验天线）进行实验测试，从中评估和分析仿真结果与实验结果的差异，判断仿真的正确性和实验的有效性。在该过程中会涉及到天线模型的工程制图和机加工以及相关微波仪器（频率源，标网，矢网，频谱仪等）和微波暗室的使用。此外，根据实际经验，由于机械制作和加工精度的原因，仿真和实验结果常会有小范围内的频偏。总之，通过对一个实验天线的测试可以有效指导我们对后续仿真做出适当的调整并最终设计出符合用户指标的天线。

本文以一个工作在L频段广角左旋圆极化天线为例，给出其设计、仿真、工程制图、制作、测试过程，并简单介绍所用软硬件的操作方法。

2，          天线形式的选择

项目的用户需求是可以工作在L频段的广角（±60⁰范围内>0dBi）左旋圆极化天线，用户对天线尺寸、重量等作了明确严格的规定：天线尺寸必须保证能够放入所提供的天线罩并且重量要小于0.3Kg。此外，设计者还必须考虑天线罩下面金属板对天线的影响，如图1。

对于立体结构的圆极化天线，最直接的方法是使用螺旋天线（包括单臂螺旋和多臂螺旋天线），但是由于螺旋天线属于行波天线，其性能主要依赖与螺距和天线轴长，在如此严格的尺寸空间和重量要求范围内（尽管使用介质加载的方法可以适当减小天线尺寸，但增加了天线的重量）很难设计出符合用户指标的广角圆极化螺旋天线。也就是说，根据分析和用户对天线尺寸重量等的严格要求，我们否定了螺旋天线的方案。

图1. 用户提供的天线罩（粉红色部分）和金属地板（灰色部分）

此后，我们在查找关于小尺寸广角圆极化天线资料的过程中，发现了2000年发表在IEEE 天线与传播学报上的一篇关于天线的文章。文章指出：该天线形式简单，制作方便，天线轴长仅为四分之一波长，而其性能却与传统四臂螺旋天线基本相同。通过项目组成员间的讨论，最终决定为基本天线形式。

3，          建模、仿真及优化

通过建模仿真可以有效decrease产品的研发周期，节约制造成本，提高设计精度和产品的成品率。目前，针对不同产品和系统都有相对应的建模仿真工具，比如在天线设计方面，主要的仿真软件有Ansoft HFSS、Ansoft Designer、CST等；电子系统级和电路方面的设计软件有ADS和Cadence等。随着计算技术的发展，这些仿真软件不仅可以进行基本的建模计算，而且还可以通过参数设置的方式进行优化处理。下面以三维有限元全波仿真软件Ansoft HFSS为例，介绍天线的建模、仿真计算以及参数优化等过程。

由于文献中并没有考虑天线罩和金属地板对天线的影响，如图2。而根据项目要求，我们必须对天线进行一体化的设计，也就是说，必须将天线罩和金属地板添加到天线模型中，如图3。

图2. 文献中无天线罩和金属地板的天线模型

图3. 添加天线罩和金属地板后的天线模型

为了后期处理和优化的方便，在建模中对天线几何尺寸进行了参数化设计：如用plane_arm表示天线水平臂长；plane_arm_long表示下拐长度；plane_arm_short表示短拐长度；reflector_up 表示反射长度，如图2。

在Ansoft HFSS的帮助下，我们可以对已建模的天线进行计算和性能分析，借助该软件强大的参数优化功能，可以获得符合要求的几何尺寸参数。比如当只对单一尺寸参数进行优化时，可以保持天线的其他尺寸参数不变，只研究该参数的变化对天线性能（如回波损耗）的影响，从而就可以确定该参数的{zy}值。对于多个尺寸参数的优化，除可以使用逐个优化的方法外，还可以选用Ansoft HFSS软件所集成的各种优化算法对整体尺寸参量进行优化取值。

在初步仿真中，发现直接使用文献中的50欧姆同轴馈电，存在如下问题：由于四臂环天线阻抗大于50欧姆，直接用50欧姆的均匀同轴线对天线馈电会导致较大的回波损耗。为了改进天线阻抗匹配情况，我们对同轴线内导体进行了改进：根据阻抗变换原理，将50欧姆的传输线阻抗转换为100欧姆的四臂环天线阻抗，改进后的同轴线内导体形状如图4所示。其中2毫米的环形凹槽用来按放一个介质垫片，它能防止天线在剧烈冲击下内导体位置发生偏移，起到稳固内导体的作用，从而避免了内导体晃动对天线性能的影响。

图4. 改进后的同轴线内导体

通过仿真计算，得到该天线的电压驻波比(VSWR)随频率的变化关系如图5所示。从图中可以看出，在所需频段（1.49—1.58GHz）内：VSWR<1.6。

图5. 天线电压驻波比

仿真得到天线轴比随频率变化如图6所示，在所需频段内（1.49—1.58GHz）的轴比（Axial Ratio）<3dB。从图中我们可以发现，由于该天线属于谐振型天线，其轴比随频率变化图形在轴比{zd1}点附近比较尖锐，不过可以满足用户提出的整个频段内3dB轴比带宽要求（其中在1.49—1.56GHz频段内轴比（Axial Ratio） 2dB）。

图6. 天线轴比

图7为天线在1.49GHz、1.54GHz、1.58GHz的两个正交切面（phi=0⁰，90⁰，见图3）上的左旋和右旋圆极化方向图。从图7可以知道，该天线属于左旋圆极化天线，并且在轴向（phi=0⁰）与右旋圆极化方向图有较高的隔离度（低中高三个频点均超过15dB），同时在±60⁰范围内三个频点上的增益大于0dB，说明该天线满足广角左旋圆极化的要求。

(a)     1.49GHz

(b)     1.54GHz

(c)    1.58GHz

图7. 天线在两个正交面上（phi=0⁰，90⁰，见图3）的左旋（红色与褐色）和右旋（蓝色与黑色）圆极化方向图：(a)，1.49GHz；(b)，1.54GHz；(c)，1.58GHz。

4，          天线模型的工程制图

天线的实际制作工作一般是由机械加工师人员完成的，他们根据天线设计者提供的机械图纸生产出所需天线，这就要求天线设计者具备一定的机械制图能力。目前，机械制图主要利用计算机软件来完成，这是因为计算机软件制图具有方便、简洁、快速和可以与数控系统直接对接等优点，有效提高了设计和制造的效率。比如AutoCAD和SolidWorks就是两款具有强大的图形绘制功能的软件，在多个行业得到了广泛的应用。本文图4就是使用AutoCAD绘制的机械加工图。掌握这些软件的基本使用方法和提高制图速度和质量的快捷技巧，一方面需要阅读相关书籍和善于使用软件本身的帮组文档，另一方面要通过大量的实际操作来熟悉和体会。

图8为天线的AutoCAD工程图，从图中可以看出，我们将天线分为五个部分：上、下、天线底部法兰、改进后的同轴线。从图8可以看出，根据影响天线性能的主要与次要因素，在影响天线性能较大和加工中需要注意的地方给出了尺寸的公差，而在影响较小的地方没有给出。机械加工人员对于给出公差的尺寸会使用较xx的制作工艺保证天线设计者的需求，而对于没有给出公差的尺寸按{zd0}容差来处理，相对会比较粗糙。

(a)上                     (b)下

(c)天线底部固定法兰                      (d)同轴线内导体

(e)同轴线外导体

图8. 天线CAD工程图：(a)上；(b)下；(c)天线底部固定法兰； (d)同轴线内导体；(e)同轴线外导体

5，          实验天线的制作、测试与评估

{dy}套实验天线在加工的过程中，设计者需要和机械加工人员进行沟通，以便了解所设计的天线模型在工程实现中是否会遇到困难。有时从工程实现的角度出发，可能需要添加、减少、调整一些结构，这时设计者首先要协助加工人员，尽量争取在不改变模型的基础上进行加工，万不得已需要改变模型，也只能从影响天线性能较小的地方修改（否则就需要从新建模仿真），以便将机械加工对天线性能的影响降到{zd1}。此外在天线馈电处的接口形式也是一个应当注意的问题，一般根据用户需求引出相应的接头。

实验天线加工出来以后，需要进行测试。测试内容包括：天线驻波比、轴比、天线增益（含方向图）、结构稳定性（加速度实验和冲击实验，本文略去该实验）等。在测试过程中应熟练掌握基本微波仪器的校准和使用方法。

标量网络分析仪（简称标网）、扫描频率源（简称扫频源或信号源）测量天线驻波比和增益的基本校准和使用方法如下：

一，开机、关机规范：开机时，须先开扫频源后开标网；关机时，须先关标网后关扫频源。因为如果先开标网后开扫频源，扫频源会提示“E003”的错误。

二，扫频源设置：

a，设置频率，由“Start”和“Stop”配合数字面板组合完成；

b，关键设置为sweep方式须设置为“EXT”模式；

c，RF开。

三，标网校准设置：

a，“校准频率”设置：有“shift+F2”和“shift+F1”设置终止与开始频率（此频率应与扫频源之起始和终止频率相同）；

b，校零设置：在扫频源“RF”关的情况下，标网按“shift+zero”；

c，RF开（on）；

d，差损通道校准（以A通道为例）传输测设口对接（或A、B口对接）；标网操作流程：（A—R），STORE，A, SUB, A接DUT。注：使用时须（A—R），方为被测设备之插入损耗。

e，反射通道校准（以B通道为例）：由第c步开始，B通道终端接短路片（平滑金属）；标网操作流程：（B—R），STORE, B, SUB, B接DUT。

四，标网简单使用方法：

a，校准后，频率范围由“start”和“stop”设置；

b，其他量程可由“auto”自动设置。

当然，不同型号仪器的操作方法会有所不同，需要天线工作人员多动手实践，熟悉其操作流程。天线驻波比可以由标量网络分析仪（简称标网）、扫描频率源（简称扫频源或信号源）测得，也可以通过矢量网络分析仪的测得，并且操作方法更加简单，参看失网的使用说明。此外，天线驻波比也可以通过矢量网络分析仪的测得，并且操作方法也更加简单，参看失网的使用说明。该实验天线通过矢量网络分析仪测得的驻波比在工作频段内（1.49—1.58GHz）均小于1.6dB，达到用户指标要求。

圆极化天线轴比的测试方法：用一个线极化天线定向旋转（360度）发射，待测圆极化天线固定不动接收，并将接收到的信号存储到频谱仪中，根据线极化天线旋转速度适当调整频谱仪单次（single）扫描（sweep）时间（略大于或等于发射天线旋转一圈的时间），频谱仪接收到信号的幅度差（Peak-to-Peak，单位为dB）即为圆极化天线的轴比。该实验天线在1.49GHz、1.54GHz、1.58GHz三个频点的轴比分别为：2.8dB、1.65dB、2dB，均在3dB以下。

天线增益（含方向图）的测量方法也有多种，比如可根据对比法[3]使用标网、扫描频率源来测量，校准方法如上所述。本文中，对于圆极化天线增益（含方向图），将使用椭圆极化天线测量增益的方法测得。

圆极化天线增益（含方向图）的测试方法：我们知道，圆极化天线只是椭圆极化天线的一种特殊形式，当椭圆极化天线长轴和短轴场强分量相等时即称为圆极化天线。一般情况下，天线轴比小于3dB的椭圆极化天线即被认为是该频段内的圆极化天线，因此我们可以根据椭圆极化天线增益的测量方法，来确定圆极化天线的增益（含方向图）。椭圆极化天线的增益G_m表达式为：

或

式中，为天线轴比；G_ea，G_eb分别为椭圆天线长轴、短轴所对应线极化部分的增益。那么圆极化部分增益G_c可表示为：

测量椭圆极化天线某旋向圆极化的部分增益G_c，只需测量长轴的增益和椭圆极化的轴比，再根据上面圆极化部分增益G_c的计算公式求得。

根据频谱仪测得的结果，将所测数据导入到画图软件Origin中，运用G_c的计算公式，得到该实验天线在1.49GHz、1.54GHz、1.58GHz频点的任一phi平面上的方向图如图9所示。

(a) 1.49GHz

(b) 1.54GHz

(c) 1.58GHz

图9 实验天线的增益方向图：a，1.49GHz；b，1.54GHz；c，1.58GHz

6，          天线的后仿真及批量生产

尽管实验天线轴比的测试结果与仿真结果有较大差异（主要原因是发射用的线极化天线在旋转过程中不够稳定），但是其方向图和仿真结果符合的较好，满足广角覆盖的要求：±60⁰范围内0dBi，达到用户性能指标要求，可以进入批量生产的阶段。

不过，需要提醒的是：由于加工过程中加工精度和测量过程中测试条件等的限制，使得实验天线的测量结果与xxxx的计算结果不一致（比如常常会发生频偏等现象）甚至有较大差异。当遇到这种情况时，在保证所建模型正确的前提下，一方面可以选择加工精度高的公司来制作天线；另一方面在后仿真阶段应当考虑在实际加工过程中天线结构的变动。对于频偏的问题，对照实验与仿真结果，在后仿真阶段可人为的调高或者降低仿真天线的工作频率，而使得实际天线工作在所需的频段内。

7，          小结

天线作为无线电系统的关键设备，它的大小、重量、辐射方向图、极化方式、阻抗匹配情况以及机械加工强度等要求天线设计者根据用户需求来综合考虑。对天线基本理论和性能参数的准确理解和正确把握，可帮助设计者了解影响天线性能的主要与次要因素。同时，设计者对相关电磁仿真软件(HFSS, CST, ADS, Matlab,etc.)、制图软件(CAD, Excel,Origin,etc.)、机械加工方法（车、铣、磨等）的掌握，可以更加快速有效的进行天线设计与制作。在天线测试阶段，设计者还需熟悉相关微波仪器的校准和使用方法，以及天线各个性能参数的测试流程。通过评估建模仿真与实验测试结果的差异，改进天线结构与形式，从而最终提供给用户满足性能指标的天线。