兩種雙頻鞭天線的設計方案和電磁仿真研究

宋立眾

(1. 哈爾濱工業大學(威海) 信息與電氣工程學院， 山東 威海 264209;2. 東南大學 信息科學與工程學院 毫米波國家重點實驗室， 江蘇 南京 210096)

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兩種雙頻鞭天線的設計方案和電磁仿真研究

宋立眾1,2

(1. 哈爾濱工業大學(威海) 信息與電氣工程學院， 山東 威海 264209;2. 東南大學 信息科學與工程學院 毫米波國家重點實驗室， 江蘇 南京 210096)

提出了綜合考慮天線仿真技術和天線加工技術的天線設計性實驗教學思路。以雙頻鞭天線的設計為例，研究了基于金屬桿狀結構和微帶電路結構的雙頻鞭天線的設計方案，采用電磁仿真軟件CST對其進行優化設計，在給定的工作頻率上實現了技術指標要求，通過對兩種方案的加工和輻射特性的分析，展示了該實驗教學模式的特點和優越性。該雙頻鞭天線的設計方案對工程應用具有參考意義。

雙頻鞭天線； 電磁仿真； 微帶電路； 實驗教學

“微波技術與天線”是電子信息類專業的重要專業課程之一。由于該課程中一些概念難以理解，且對于數學知識要求較高，歷來是難以講授的專業課程之一[1-2]。微波電路與無源天線技術具有明顯的工程實踐性，對學生工程能力的培養和基本理論的掌握同樣重要。傳統的“微波技術與天線”課程側重于基本理論的講授，實驗環節以測量線系統為主。隨著技術的進步，現代主流的微波電路設計、加工和測量技術有了很大的進步，出現了多種先進的電磁仿真軟件和微波電路加工技術，極大地提高了微波電路技術的研究效率和水平，縮短了研發周期[3-5]。在教學中引入工程實踐的內容，進行基于項目驅動的設計性實驗教學[6-8]，可以將教學和科研有機地結合在一起，讓學生參與科研活動、開展設計性實驗，發揮科研對教學的促進作用。

本文提出了基于項目驅動的“微波技術與天線”課程的實驗教學模式，闡述電磁仿真技術在“微波技術與天線”教學中的作用，給出桿狀結構的雙頻鞭天線和采用微帶電路結構的雙頻鞭天線兩種設計方案和電磁仿真結果，討論微波天線在設計、加工和仿真中的相關問題。

1 項目驅動下的“微波技術與天線”實驗課程教學模式

近年來，雷達和通信技術迅猛發展，作為理論和技術基礎的電磁場和微波技術學科的重要性日漸體現。提高學生學習“微波技術與天線”課程的興趣，使學生接觸到實際的工程技術知識，掌握實用性技能，是本課程教學的重要任務之一。

項目驅動下的“微波技術與天線”課程實驗教學模式將整個教學過程分成基本理論教學、基本實驗教學和基于項目研發等3個教學環節，其中基于項目研發的教學環節是我校新引入的特色教學內容。

在該教學模式下，授課教師首先要向學生講授基本的理論和實驗知識，使學生能夠為基于項目驅動的學習做好準備，然后根據教學內容和實際科研項目的情況，選擇合適的課題。教師將課題分成幾個單元，在向學生介紹課題背景的條件下，以任務書的形式向學生分配研究任務，明確研究目標和研究內容，指導學生獨立完成課題的研究任務。學生在進行課題研究中，要查閱大量的文獻，自主探索解決問題的途徑，獨立設計課題的實現方案，學習和掌握必要的仿真工具，在規定時間內完成設計和仿真實驗。在教學過程中，要突出設計方案、電磁仿真和可實現性分析這三方面的內容，重點向學生講述微波電路的設計方案和工程實現的區別和聯系，使學生能夠完成在工程上可實現的設計方案?？疾榈闹攸c是學生獨立解決實際科研問題的能力，將設計結果作為成績考查的依據。

在項目驅動下的“微波技術與天線”課程教學模式中，主要采用基于電磁仿真的微波電路與天線設計技術，這樣可以有效節約實驗成本，也能讓學生接觸到目前主流的微波電路和天線設計技術，更有利于學生后續的學習和工作。常用的微波電路與天線設計的電磁仿真軟件有CST、ADS、FEKO和HFSS。

CST軟件是德國CST公司開發的高級無源微波器件及天線仿真軟件包。該軟件采用有限積分法，對時域信號采用離散傅里葉變換，能夠一次計算得到全寬頻帶的散射參量。用軟件實體建模的特點是結構建模器的全參量化，添加約束條件后，可以進行優化設計和仿真。CST軟件具有較強的結果顯示功能，能動態顯示場量，其后處理功能強大，能夠對2D和3D場量等進行靈活的處理[9-10]。

ADS軟件是美國安捷倫公司開發的大型綜合設計軟件，它支持所有類型的射頻設計，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軟件是針對天線設計和電磁仿真的專業電磁場分析軟件，它基于矩量法，從而非常適合于分析天線設計中各類電磁場的問題。FEKO實現了MOM方法和PO/UTD的混合，可以根據計算機硬件條件和待求解問題的精度要求，求解成百上千個波長的問題[11-12]。

HFSS軟件是美國Ansoft公司開發的一種三維結構電磁場仿真軟件，HFSS的理論基礎是有限元方法，特別適合設計各種輻射器及求本征模問題，可分析仿真任意三維無源結構的高頻電磁場[13]。

本文以CST軟件作為電磁仿真工具，研究雙頻鞭天線的設計方案及其仿真優化問題，并以此為例，展示項目驅動下的實驗教學模式的應用。

2 金屬桿狀雙頻鞭天線設計方案和電磁仿真

在采用跳頻、擴頻和多頻等工作方式的無線電電子系統中，為了減少天線的數量，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，它結構簡單，成本低廉，設計方案靈活，適合于無線通信、雷達、微波測量等應用場合[16-17]。雙頻鞭天線是由兩個不同長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，調整兩個垂直單極子長度、金屬地板的形狀和尺寸以及天線距離地板的高度，可以實現預期的工作頻率。為了實現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絡。

桿狀結構的雙頻鞭天線需要先進行機械加工，然后將加工好的各組成部分裝配在一起。該方案要求機械加工的精度較高，但是對材料的要求不高，成本略低。筆者設計的桿狀雙頻鞭天線的結構如圖1所示，經過電磁仿真和優化設計，天線的圓形金屬地板直徑為160 mm，兩個單極子的長度分別為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構圖

仿真結果表明，該桿狀結構雙頻鞭天線在給定的2個工作頻點上的的輸入電壓駐波比(VSWR)分別約為1.3和1.1，達到了VSWR小于2的指標要求(見圖2)。

圖2 桿狀結構雙頻鞭天線的VSWR仿真結果

在0.8 GHz頻點上，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?？梢钥闯觯谠擃l點上所設計天線在水平面(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表現為較大的數值，近似為線極化的特性。該天線增益達到2.4 dB。

圖3 桿狀結構雙頻鞭天線在0.8 GHz的三維增益方向圖

圖4 桿狀結構雙頻鞭天線在0.8 GHz的二維增益方向圖

在1.9 GHz頻點上，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?，在該頻點上所設計天線在水平面(即xoy面)的3 dB波束寬度約為79°，但仍表現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約為40 dB，也近似為線極化特性；該天線增益達到4.83 dB。

圖5 桿狀結構雙頻鞭天線在1.9 GHz的三維增益方向圖

圖6 桿狀結構雙頻鞭天線在1.9 GHz的二維增益方向圖

3 微帶電路結構的雙頻鞭天線設計方案和電磁仿真

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

圖7 微帶電路雙頻鞭天線結構圖

仿真結果表明，該微帶電路結構的雙頻鞭天線在0.8 GHz和1.9 GHz工作頻點上的電壓駐波比分別約為1.1和1.5，同樣達到了小于2的指標要求，表明微帶電路方案可以實現類似的雙頻諧振特性(見圖8)。

圖8 微帶電路結構雙頻鞭天線的VSWR仿真結果

在0.8 GHz頻點上，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?？梢钥闯觯谠擃l點上所設計的天線在水平面(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約為40 dB，近似為線極化輻射特性；該天線增益達到1.87 dB，略低于金屬桿狀雙頻鞭天線的方案。

圖9 微帶電路結構雙頻鞭天線在0.8 GHz的三維增益方向圖

圖10 微帶電路結構雙頻鞭天線在0.8 GHz的二維增益方向圖

在1.9 GHz頻點上，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。可以看出，在該頻點上所設計天線在水平面(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約為40 dB，近似為線極化輻射特性；該天線增益達到4.51 dB，和金屬桿狀雙頻鞭天線的結果近似。

4 結束語

本文提出了項目驅動下的“微波技術與天線”課程實驗教學模式。基于電磁仿真技術，可以有效開展設計性和創新性的“微波技術與天線”課程教學工作。以雙頻鞭天線的設計和電磁仿真為示范，展示了基于項目需求的教學模式的優越性，對本門課程的實驗教學改革具有一定的參考作用。

圖11 微帶電路結構雙頻鞭天線在1.9 GHz的三維增益方向圖

圖12 微帶電路結構雙頻鞭天線在1.9 GHz的二維增益方向圖

References)

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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

哈爾濱工業大學(威海)校級教學研究項目(ITDA10002104);中國博士后科學基金資助項目(2014M561554);毫米波國家重點實驗室開放課題資助項目(K201328)

宋立眾(1975—)，男，遼寧沈陽，東南大學博士后，教授，博士生導師，研究方向為天線技術、電磁場與微波技術和雷達技術.

E-mail：songlizhong@hitwh.edu.cn

TN821

A

1002-4956(2015)2- 0114- 05

虛擬仿真技術探索與實踐