MIT便携式雷达-“罐头天线”

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雷达系统的发射机和接收机选用的天线是一种名为罐头天线（cantenna）的口径天线。罐头天线是一种定向天线，此天线具有两大优点：其一是能够在一个特定方向上发射更大的功率，从而有利于雷达对一个特定方向上的目标进行探测；第二个优点是设计简单。

图1 罐头天线结构参数

最终，雷达系统所选用的金属罐长度为85mm，直径为55mm。罐头天线使用的连接器是JYEBAO生产的SMA连接器，型号为SMA864L。SMA连接器上的触针（铍铜）被削减到10毫米，绝缘层被削减到7毫米。连接器放置在距离罐底部约16mm处。罐头天线的结构示意图如图1所示，制作完成的罐头天线实物如图2所示。

图2 制作完成的罐头天线实物

罐头天线测试步骤及结果


在整个天线测试过程中需要对单端口特性和双端口特性分别进行测试。单端口（S11）测试是在校准好的矢量网络分析仪（VNA）上测量天线的回波损耗和工作频率。

该测量要求矢量网络分析仪向天线发射小功率信号，并测量反射回矢量网络分析仪的信号功率。另一个在矢量网络分析仪上进行的单端口测试是测量天线的史密斯圆图。史密斯圆图是一种通过测量天线输入阻抗来确定其是否存在50Ω失配的图像化测量方式。

最后S11测量的是电压驻波比（VSWR）。电压驻波比可以由反射系数经过运算得到，它是一种快速估计天线反射功率的方法。一个理想天线电压驻波比应等于1:1。使用矢量网络分析仪测量S11的连线方法如图3所示。
图3 使用矢量网络分析仪测量天线的S11参数

双端口（S21）天线测试表征了天线2接收功率与天线1输入功率的比值关系。在此项测试中，一个参数已知的对数周期天线（EM-6952）与端口1连接，罐头天线与端口2连接。连接方式如图4所示。

为了使矢量网络分析仪能够得到正确的测量结果，待测天线和对数周期天线之间的距离必须大于远场距离。对于罐头天线，计算得到的远场距离R是0.28米。

在本次测试中，设置的测量距离为1米。在测量S21时，由于极化是电场的方向，天线的极化对输出读数有很大的影响。因此，需要将罐头天线旋转90°或180°以获得最佳测量结果，这表明两个天线的极化是匹配的。

图4 用矢量网络分析仪测量天线S21的步骤

通过上述天线测试步骤，对两个天线的S11参数进行了测量。在5.8 GHz的工作频率下，测量得到1号罐头天线S11为-30dBm（图5），2号罐头天线S11为-37dBm（图6）。

图5 1号罐头天线S11测试结果

图6 2号罐头天线S11测试结果

表1列举了两个天线的电压驻波比和输入阻抗测试结果。对两个罐头天线S21参数的测量则是使用参数已知的对数周期天线来进行，该天线可以在5.8GHz下提供6.5dB增益。天线与对数周期天线的距离正好是1米。S21测试环境如图7所示。输出值记录在表2和图8中。

表1 两个罐头天线的电压驻波比和输入阻抗

罐头天线 #1
罐头天线 #2
电压驻波比
1.06
1.03
输入阻抗（Ω）
51.5
51.5

图7 使用对数周期天线进行的罐头天线S21测量过程

表2 两个罐头天线的S21参数测量值

罐头天线 #1
罐头天线 #2
S21（dBm）
-23.2
-21.2

图8 2号罐头天线S21参数测量结果

根据Friis传输公式, 每个罐头天线的真实增益可以由下式计算得到：


其中，S21分别带入表2中1号罐头天线参数（-23.2dB）或2号罐头天线参数（-21.2dB），G1为参数已知天线增益（6.5dB），G2为计算得到的罐头天线增益，λ为自由空间光速（3×10^8m/s）除以天线工作频率（5.8×10^9Hz），R取值为1m，最终求解得到1号罐头天线增益（G2）=-23.2-6.5+47.7=18dBi，2号罐头天线增益（G2）=-21.2-6.5+47.7=20dBi.

在确认两个天线正常工作后，将参数已知天线直接指向另一个待测天线（零度）。然后将两个天线分别左旋和右旋，从六个不同位置指向对数周期天线并记录增益（如表3和表4所示）。通过绘制增益值随旋转角度的变化曲线，可以在图9和图10中分别观察到两个罐头天线的辐射方向图。

表3 不同角度下1号罐头天线的增益输出
罐头天线 #1
角度
dBm
增益（dBi）
-90
-25.2
16.2
-45
-25.4
15.8
-15
-23.7
17.5
0
-23.2
18.8
15
-24.9
16.3
45
-25.5
15.7
90
-27.2
14.2

表4 不同角度下2号罐头天线的增益输出
罐头天线 #2
角度
dBm
增益（dBi）
-90
-30.6
11.2
-45
-25.7
16.2
-15
-23.4
17.8
0
-21.2
20.1
15
-24.4
16.8
45
-26.4
14.8
90
-29.1
12.2

图9 1号罐头天线方向图

图10 2号罐头天线方向图

另一项测试表征了两个罐头天线间的隔离度。天线与天线隔离度是指，当两个天线如图11所示并排用于雷达装置时，测量得到的两天线之间信号泄漏。通过分别将1号罐头天线和2号罐头天线连接到矢网的端口1和端口2，本测试基于矢量网络分析仪对S12和S21两个参数进行了测量。两个天线的间距在1英寸到7英寸之间变化，测量结果见表5。

图11 雷达装置中并排放置的罐头天线

表5 罐头天线隔离度
间距
（英寸）
反向隔离度：S12
（dBm）
正向隔离度：S21
（dBm）
1
-26.5
-36.9
2
-29.8
-29.1
3
-31.4
-30.6
4
-34.1
-33.3
5
-35.9
-35.2
6
-37.5
-38.1
7
-38.4
-39.4
 

本文来自：《MIT便携式雷达-自行组装雷达步骤》