兩種雙頻鞭天線的設(shè)計(jì)方案和電磁仿真研究

宋立眾

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息與電氣工程學(xué)院， 山東 威海 264209;2. 東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210096)

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兩種雙頻鞭天線的設(shè)計(jì)方案和電磁仿真研究

宋立眾1,2

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息與電氣工程學(xué)院， 山東 威海 264209;2. 東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210096)

提出了綜合考慮天線仿真技術(shù)和天線加工技術(shù)的天線設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路。以雙頻鞭天線的設(shè)計(jì)為例，研究了基于金屬桿狀結(jié)構(gòu)和微帶電路結(jié)構(gòu)的雙頻鞭天線的設(shè)計(jì)方案，采用電磁仿真軟件CST對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在給定的工作頻率上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)指標(biāo)要求，通過(guò)對(duì)兩種方案的加工和輻射特性的分析，展示了該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的特點(diǎn)和優(yōu)越性。該雙頻鞭天線的設(shè)計(jì)方案對(duì)工程應(yīng)用具有參考意義。

雙頻鞭天線； 電磁仿真； 微帶電路； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“微波技術(shù)與天線”是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)課程之一。由于該課程中一些概念難以理解，且對(duì)于數(shù)學(xué)知識(shí)要求較高，歷來(lái)是難以講授的專業(yè)課程之一[1-2]。微波電路與無(wú)源天線技術(shù)具有明顯的工程實(shí)踐性，對(duì)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)和基本理論的掌握同樣重要。傳統(tǒng)的“微波技術(shù)與天線”課程側(cè)重于基本理論的講授，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以測(cè)量線系統(tǒng)為主。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代主流的微波電路設(shè)計(jì)、加工和測(cè)量技術(shù)有了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了多種先進(jìn)的電磁仿真軟件和微波電路加工技術(shù)，極大地提高了微波電路技術(shù)的研究效率和水平，縮短了研發(fā)周期[3-5]。在教學(xué)中引入工程實(shí)踐的內(nèi)容，進(jìn)行基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6-8]，可以將教學(xué)和科研有機(jī)地結(jié)合在一起，讓學(xué)生參與科研活動(dòng)、開(kāi)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮科研對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用。

本文提出了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的“微波技術(shù)與天線”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，闡述電磁仿真技術(shù)在“微波技術(shù)與天線”教學(xué)中的作用，給出桿狀結(jié)構(gòu)的雙頻鞭天線和采用微帶電路結(jié)構(gòu)的雙頻鞭天線兩種設(shè)計(jì)方案和電磁仿真結(jié)果，討論微波天線在設(shè)計(jì)、加工和仿真中的相關(guān)問(wèn)題。

1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的“微波技術(shù)與天線”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式

近年來(lái)，雷達(dá)和通信技術(shù)迅猛發(fā)展，作為理論和技術(shù)基礎(chǔ)的電磁場(chǎng)和微波技術(shù)學(xué)科的重要性日漸體現(xiàn)。提高學(xué)生學(xué)習(xí)“微波技術(shù)與天線”課程的興趣，使學(xué)生接觸到實(shí)際的工程技術(shù)知識(shí)，掌握實(shí)用性技能，是本課程教學(xué)的重要任務(wù)之一。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的“微波技術(shù)與天線”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將整個(gè)教學(xué)過(guò)程分成基本理論教學(xué)、基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基于項(xiàng)目研發(fā)等3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，其中基于項(xiàng)目研發(fā)的教學(xué)環(huán)節(jié)是我校新引入的特色教學(xué)內(nèi)容。

在該教學(xué)模式下，授課教師首先要向?qū)W生講授基本的理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)，使學(xué)生能夠?yàn)榛陧?xiàng)目驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備，然后根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際科研項(xiàng)目的情況，選擇合適的課題。教師將課題分成幾個(gè)單元，在向?qū)W生介紹課題背景的條件下，以任務(wù)書(shū)的形式向?qū)W生分配研究任務(wù)，明確研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成課題的研究任務(wù)。學(xué)生在進(jìn)行課題研究中，要查閱大量的文獻(xiàn)，自主探索解決問(wèn)題的途徑，獨(dú)立設(shè)計(jì)課題的實(shí)現(xiàn)方案，學(xué)習(xí)和掌握必要的仿真工具，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)過(guò)程中，要突出設(shè)計(jì)方案、電磁仿真和可實(shí)現(xiàn)性分析這三方面的內(nèi)容，重點(diǎn)向?qū)W生講述微波電路的設(shè)計(jì)方案和工程實(shí)現(xiàn)的區(qū)別和聯(lián)系，使學(xué)生能夠完成在工程上可實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案?？疾榈闹攸c(diǎn)是學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際科研問(wèn)題的能力，將設(shè)計(jì)結(jié)果作為成績(jī)考查的依據(jù)。

在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)模式中，主要采用基于電磁仿真的微波電路與天線設(shè)計(jì)技術(shù)，這樣可以有效節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，也能讓學(xué)生接觸到目前主流的微波電路和天線設(shè)計(jì)技術(shù)，更有利于學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作。常用的微波電路與天線設(shè)計(jì)的電磁仿真軟件有CST、ADS、FEKO和HFSS。

CST軟件是德國(guó)CST公司開(kāi)發(fā)的高級(jí)無(wú)源微波器件及天線仿真軟件包。該軟件采用有限積分法，對(duì)時(shí)域信號(hào)采用離散傅里葉變換，能夠一次計(jì)算得到全寬頻帶的散射參量。用軟件實(shí)體建模的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)建模器的全參量化，添加約束條件后，可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真。CST軟件具有較強(qiáng)的結(jié)果顯示功能，能動(dòng)態(tài)顯示場(chǎng)量，其后處理功能強(qiáng)大，能夠?qū)?D和3D場(chǎng)量等進(jìn)行靈活的處理[9-10]。

ADS軟件是美國(guó)安捷倫公司開(kāi)發(fā)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，它支持所有類型的射頻設(shè)計(jì)，包括射頻/微波模塊、通信和航空航天的MMIC。該軟件提供了高性能的仿真能力。

FEKO軟件是針對(duì)天線設(shè)計(jì)和電磁仿真的專業(yè)電磁場(chǎng)分析軟件，它基于矩量法，從而非常適合于分析天線設(shè)計(jì)中各類電磁場(chǎng)的問(wèn)題。FEKO實(shí)現(xiàn)了MOM方法和PO/UTD的混合，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件條件和待求解問(wèn)題的精度要求，求解成百上千個(gè)波長(zhǎng)的問(wèn)題[11-12]。

HFSS軟件是美國(guó)Ansoft公司開(kāi)發(fā)的一種三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，HFSS的理論基礎(chǔ)是有限元方法，特別適合設(shè)計(jì)各種輻射器及求本征模問(wèn)題，可分析仿真任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)[13]。

本文以CST軟件作為電磁仿真工具，研究雙頻鞭天線的設(shè)計(jì)方案及其仿真優(yōu)化問(wèn)題，并以此為例，展示項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的應(yīng)用。

2 金屬桿狀雙頻鞭天線設(shè)計(jì)方案和電磁仿真

在采用跳頻、擴(kuò)頻和多頻等工作方式的無(wú)線電電子系統(tǒng)中，為了減少天線的數(shù)量，改善電磁兼容性能，多采用雙頻或多頻天線[14-15]。雙頻鞭天線是一種常用的雙頻天線形式，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，設(shè)計(jì)方案靈活，適合于無(wú)線通信、雷達(dá)、微波測(cè)量等應(yīng)用場(chǎng)合[16-17]。雙頻鞭天線是由兩個(gè)不同長(zhǎng)度的垂直單極子共同連接在饋線上形成的，在饋線的下方安裝金屬地板。該天線具有雙頻輻射特性，調(diào)整兩個(gè)垂直單極子長(zhǎng)度、金屬地板的形狀和尺寸以及天線距離地板的高度，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工作頻率。為了實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配特性，可以在饋線和金屬接地板之間加載阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

桿狀結(jié)構(gòu)的雙頻鞭天線需要先進(jìn)行機(jī)械加工，然后將加工好的各組成部分裝配在一起。該方案要求機(jī)械加工的精度較高，但是對(duì)材料的要求不高，成本略低。筆者設(shè)計(jì)的桿狀雙頻鞭天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，經(jīng)過(guò)電磁仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，天線的圓形金屬地板直徑為160 mm，兩個(gè)單極子的長(zhǎng)度分別為75 mm和37 mm，圓柱形單極子的直徑為4 mm，單極子距離金屬地板的高度為15 mm，其工作頻率分別為0.8 GHz和1.9 GHz。

圖1 桿狀雙頻鞭天線的結(jié)構(gòu)圖

仿真結(jié)果表明，該桿狀結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線在給定的2個(gè)工作頻點(diǎn)上的的輸入電壓駐波比(VSWR)分別約為1.3和1.1，達(dá)到了VSWR小于2的指標(biāo)要求(見(jiàn)圖2)。

圖2 桿狀結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線的VSWR仿真結(jié)果

在0.8 GHz頻點(diǎn)上，該天線的三維增益方向圖如圖3所示；在xoz面、yoz面和xoy面的增益方向如圖4所示。可以看出，在該頻點(diǎn)上所設(shè)計(jì)天線在水平面(xoy面)的3 dB波束寬度約為256°，具有較寬的波束覆蓋范圍；其軸比在軸向約為40 dB，且軸比在很寬的角域范圍內(nèi)表現(xiàn)為較大的數(shù)值，近似為線極化的特性。該天線增益達(dá)到2.4 dB。

圖3 桿狀結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線在0.8 GHz的三維增益方向圖

圖4 桿狀結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線在0.8 GHz的二維增益方向圖

在1.9 GHz頻點(diǎn)上，該天線的三維增益方向圖如圖5所示；在xoz面、yoz面和xoy面的增益方向如圖6所示?？梢钥闯觯谠擃l點(diǎn)上所設(shè)計(jì)天線在水平面(即xoy面)的3 dB波束寬度約為79°，但仍表現(xiàn)出很寬的波束覆蓋范圍；其圓極化軸比在很寬的角度范圍內(nèi)約為40 dB，也近似為線極化特性；該天線增益達(dá)到4.83 dB。

圖5 桿狀結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線在1.9 GHz的三維增益方向圖

圖6 桿狀結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線在1.9 GHz的二維增益方向圖

3 微帶電路結(jié)構(gòu)的雙頻鞭天線設(shè)計(jì)方案和電磁仿真

微帶電路的加工方式具有加工精度高和產(chǎn)品一致性好的特點(diǎn)，是加工微波電路與天線的主流方式。微帶電路結(jié)構(gòu)的雙頻鞭天線，其垂直單極子和饋電線在印刷電路上實(shí)現(xiàn)，仿真中選擇的介質(zhì)板厚度為1.5 mm，銅箔厚度是0.036 mm，介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.2。金屬接地板仍為圓形結(jié)構(gòu)，采用特性阻抗為50 Ω的同軸電纜饋電(見(jiàn)圖7)。該天線的2個(gè)振子臂采用漸變結(jié)構(gòu)，以改善其頻帶寬度特性。經(jīng)過(guò)電磁仿真與優(yōu)化，最后確定該天線的金屬地板直徑為100 mm，兩個(gè)振子距離金屬地板的高度為18 mm，兩個(gè)振子的長(zhǎng)度分別為73 mm和37 mm。該方案和金屬桿狀結(jié)構(gòu)的雙頻鞭天線相比，振子長(zhǎng)度變化不大，金屬地板面積有所減小。

圖7 微帶電路雙頻鞭天線結(jié)構(gòu)圖

仿真結(jié)果表明，該微帶電路結(jié)構(gòu)的雙頻鞭天線在0.8 GHz和1.9 GHz工作頻點(diǎn)上的電壓駐波比分別約為1.1和1.5，同樣達(dá)到了小于2的指標(biāo)要求，表明微帶電路方案可以實(shí)現(xiàn)類似的雙頻諧振特性(見(jiàn)圖8)。

圖8 微帶電路結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線的VSWR仿真結(jié)果

在0.8 GHz頻點(diǎn)上，該天線的三維增益方向圖如圖9所示；在xoz面、yoz面和xoy面的增益方向如圖10所示?？梢钥闯?，在該頻點(diǎn)上所設(shè)計(jì)的天線在水平面(即xoy面)的3 dB波束寬度約為234°，同樣具有寬波束特性；該天線軸比在主波束范圍內(nèi)約為40 dB，近似為線極化輻射特性；該天線增益達(dá)到1.87 dB，略低于金屬桿狀雙頻鞭天線的方案。

圖9 微帶電路結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線在0.8 GHz的三維增益方向圖

圖10 微帶電路結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線在0.8 GHz的二維增益方向圖

在1.9 GHz頻點(diǎn)上，該天線的三維增益方向圖如圖11所示；在xoz面、yoz面和xoy面的增益方向如圖12所示?？梢钥闯觯谠擃l點(diǎn)上所設(shè)計(jì)天線在水平面(即xoy面)的3 dB波束寬度約為97°，略寬于金屬桿狀雙頻鞭天線；其圓極化軸比在主波束范圍內(nèi)約為40 dB，近似為線極化輻射特性；該天線增益達(dá)到4.51 dB，和金屬桿狀雙頻鞭天線的結(jié)果近似。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的“微波技術(shù)與天線”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式?；陔姶欧抡婕夹g(shù)，可以有效開(kāi)展設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性的“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)工作。以雙頻鞭天線的設(shè)計(jì)和電磁仿真為示范，展示了基于項(xiàng)目需求的教學(xué)模式的優(yōu)越性，對(duì)本門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有一定的參考作用。

圖11 微帶電路結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線在1.9 GHz的三維增益方向圖

圖12 微帶電路結(jié)構(gòu)雙頻鞭天線在1.9 GHz的二維增益方向圖

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Research on two design schemes of two frequency whip antennas and their electromagnetic simulations

Song Lizhong1,2

(1. School of Information and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China; 2. State Key Laboratory of Millimeter Waves, School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

This paper proposes a kind of design experiment teaching thought which considers both antenna simulation technique and antenna fabrication technique. Taking the design of twin whip antenna with dual frequencies as an example, this paper researches two kinds of design schemes of the two frequency whip antennas which have the metal rod structure and the microstrip circuit structure, respectively. The antennas are designed and optimized by using the electromagnetic simulation software CST and the technical requirements were met at given operational frequencies. Through the analysis of fabrication methods and radiation characteristics for these two kinds of twin whip antennas, the characteristics and advantages of the proposed experiment teaching mode can be demonstrated. At the same time, the researched design schemes of twin whip antennas have the reference significance for practical engineering applications.

twin whip antenna; antenna electromagnetic simulation； microstrip circuit; experimental teaching

2014- 07- 26

哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(ITDA10002104);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M561554);毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(K201328)

宋立眾(1975—)，男，遼寧沈陽(yáng)，東南大學(xué)博士后，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘炀€技術(shù)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)和雷達(dá)技術(shù).

E-mail：songlizhong@hitwh.edu.cn

TN821

A

1002-4956(2015)2- 0114- 05

虛擬仿真技術(shù)探索與實(shí)踐