一种近距离探测器天线的设计方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种近距离探测器天线的设计方法
本专利技术涉及一种近距离探测器天线的设计方法，属于毫米波天线

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采取如下技术方案。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。有益效果本专利技术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是本专利技术一种近距离探测器天线设计方法的流程图；图2是依托本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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为本专利技术所述天线的设计方法步骤3建模的风帽尺寸示意图；图11为本专利技术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专利技术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专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n步骤2、选择喇叭天线的尺寸与材质；/n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：/n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；/n步骤3.2对风帽建模；/n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。/n

【技术特征摘要】
20210129 CN 202110125190X1.一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。


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，具体为：
步...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦俊峰，姚云燕，沈光，张前悦，杨宗富，胡亚超，
申请(专利权)人：北京冠群桦成信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11