一種低成本圓極化天線實驗教學的研究

傅世強， 李嬋娟， 邵雨萌， 房少軍

(大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心， 遼寧 大連 116026)

一種低成本圓極化天線實驗教學的研究

傅世強， 李嬋娟， 邵雨萌， 房少軍

(大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心， 遼寧 大連 116026)

為全面提高學生對天線特性(包括阻抗特性、方向特性和極化特性)的理解，使學生親身體驗天線從設計制作到測試應用的全過程，提出了一種適合實驗教學的低成本圓極化天線結構，并給出了工程化的天線實驗教學思路。實驗過程包括理論設計、軟件仿真、天線制作、測試調試和工程應用等環節。通過一系列的訓練，使學生熟悉天線電磁仿真軟件、掌握天線參數分析和測量的方法，培養學生創新設計天線的能力。

罐頭天線； HFSS仿真； 圓極化軸比； 實驗測量

隨著無線通信技術的迅速發展，天線應用領域不斷擴展，市場對天線工程人才的需求不斷上升。天線作為無線通信系統發射和接收電磁波的射頻前端器件，其性能優劣對整個系統的通信質量至關重要。衡量天線性能好壞的主要技術參數包括阻抗特性(反射系數)、方向特性(增益和波瓣寬度)、極化特性(軸比)等[1]。近年來，圓極化天線由于具有良好的傳播特性，在衛星通信、RFID(射頻識別技術)、WLAN(無線局域網)等方面均有廣泛的研究和應用。

電波與天線是培養天線工程人才最重要的課程，由于該課程工程性和實踐性較強，實驗教學在課程教學中發揮著重要作用。然而國內高校電波與天線課程的實驗教學卻不盡如人意，大多數高校的天線實驗僅僅是驗證性的[2-3]，設計方面的內容幾乎為零。傳統的天線實驗在微波暗室中進行，實驗設備昂貴，測試系統復雜，學生在實驗過程中感覺難度較大。為此一些高校為了節約成本，采用虛擬仿真實驗[4-5]的辦法，使學生缺少了動手實踐的機會。近年來，隨著計算機技術的不斷發展和電磁仿真軟件的不斷涌現，在天線的實驗教學環節中引入全波電磁仿真技術，雖然是對硬件實驗的有益補充，是一種有效的實驗教學模式[6-8]，但不利于學生掌握天線的參數分析與測量方法。

為了加強對天線工程人才實踐能力的培養，文獻[9]利用身邊的普通材料做出了性能優良的WLAN天線，降低了天線的成本，然而天線的極化方式是線極化，不利于抗多徑干擾。文獻[10]設計了一個用于衛星通信的圓極化波導天線，并制作了C波段的天線實物，取得了較好的天線性能。文獻[11]設計了用于測試天線方向性圖的轉臺和接收指示裝置，但是沒有給出測試天線圓極化和阻抗的方法，不利于學生全面認識天線的主要技術參數。本文從實際工程應用角度出發，設計了一種低成本的圓極化天線實驗教學方案。在前人已有工作的基礎上，提出一種工程化的天線實驗教學思路，實驗過程包括：理論設計、軟件仿真、天線制作、測試調試和工程應用等環節。通過一系列的訓練，使學生熟悉電磁學仿真軟件的特性和數值計算方法，掌握天線的參數分析與測量方法，最終使學生能夠懂得如何將理論知識更好地轉化為實際生產力，達到學以致用的目的。

1 天線的理論設計和仿真分析

隨著現代天線對性能指標的要求越來越高，天線的設計越來越復雜，而設計周期卻越來越短。傳統的設計方法已經不能滿足當今天線的設計需求，使用微波EDA軟件進行天線設計已經成為必然趨勢。借助于這些商用軟件，只要在各仿真軟件的繪圖界面中建立相應的天線電磁問題模型，再進行相關的計算設置，進行仿真便可以得到比較準確的計算結果。雖然各種功能強大的電磁場仿真軟件的涌現，給天線工程研究人員帶來了極大的便利，可以很快地驗證自己的設計構想，但是，軟件只能作為一種工具來使用，要想設計出理想的天線，必須建立在對電磁場理論的深刻理解和豐富的工程設計經驗之上。所設計的天線由一終端短路的圓波導和環形饋電探針構成，通過圓波導的口徑面輻射。天線結構圖如圖1所示。

圖1 圓極化罐頭波導天線模型

由電磁場理論和微波技術課程的知識可知，圓波導中傳輸模式主模為H11(TE11)模，其截止波長為λc(H11)=3.41R，R為圓波導的半徑；第一個高次模為E01模，其截止波長λc(E01)=2.62R。為了保證圓波導中單模傳輸條件，天線的工作波長必須滿足2.62R≤λ0≤3.41R。若規定天線的中心頻率為f=2.45 GHz，此時真空中的波長為λ0=c/f=122.45 mm，即圓波導半徑必須滿足條件35.9 mm≤R≤46.7 mm。選取圓波導的半徑為40 mm，此時H11模的波導波長可計算得λg(H11)=276.9 mm，波導管可以工作在主模H11模的頻率范圍為2.2～2.86 GHz。設計天線的工作頻率范圍是ISM頻段2.4～2.483 GHz，正好在波導管的單模工作范圍內。

根據波導喇叭天線的原理，饋電探針應該在距波導短路面1/4波導波長左右，此時探針激勵出的電磁波一路通過波導口直接輻射出去，另一路經過1/4波導波長傳輸到波導的短路面，產生90°的相位差，電磁波在波導短路面發生反射時，會產生180°的相位差，再經過1/4波導波長到達饋電探針位置處，又產生90°的相位差，此時共形成360°的相位差，最終探針激勵出的2路電磁波傳輸到波導口時達到同相疊加的效果。饋電探針采用環形結構來激勵圓波導的主模，通過在探針圓環末端引入一個缺口使探針上電流呈行波分布，因為環形探針周長近似一個波長，所以y軸電場與x軸電場之間有90°相位差，形成圓極化條件，如圖1結構中放置的圓環產生右旋圓極化，若產生左旋圓極化只需改變圓環的旋向。改變饋電圓環的周長(即半徑r)可以改變天線的工作頻率，調節開口的大小可以調節圓極化的好壞。

HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，它可以計算天線參量，包括天線阻抗、電壓駐波比、S參數、二維和三維輻射方向圖、增益、軸比、內部電磁場分布等，已成為業界公認的三維電磁場設計和分析工具。設計過程中采用HFSS軟件建立天線模型，如圖1所示。通過大量的計算機仿真分析，最終得到以下天線結構參數：R=40 mm，h=70 mm，r=28 mm，H=160 mm，d=12 mm，φ=90°。圖2是天線各項性能曲線HFSS仿真結果圖。從圖中可以看出，天線的反射系數S11<-10 dB能夠覆蓋2.38～2.61 GHz，在中心頻率2.45 GHz附近匹配較好；天線的3 dB軸比帶寬近80 MHz(2.413～2.492 GHz)；天線的具有良好的右旋圓極化(RHCP)輻射方向性圖，增益超過7 dB，交叉極化抑制較好。

通過計算機仿真實驗，學生還可以研究各主要尺寸參數對天線性能的影響。改變天線的高度H，對天線回波損耗及軸比的影響不大；改變饋電位置h，主要影響天線的匹配，當饋電位置h接近1/4波導波長時匹配最好；饋電圓環半徑r主要影響天線的諧振頻率，當r變大時，天線諧振頻率降低，反之，當r變小時，天線諧振頻率升高，另外，r對天線的軸比也有一定影響；圓極化通過環形探針上的電流行波分布實現，環形探針開口的角度φ對天線的圓極化有很大影響，當天線獲得較好的阻抗匹配后，可以通過調節環形探針開口角度φ及饋電圓環半徑r優化天線的軸比。

圖2 圓極化罐頭波導天線HFSS仿真結果

2 天線的加工制作和實驗測量

學生經過了天線理論設計和電磁仿真階段的訓練之后，就可以根據得到的最優結構進行天線的實物制作。為了降低實驗成本，讓制作材料較易獲得，直接選擇合適大小的金屬茶葉罐或奶粉罐作為天線的圓波導輻射體。罐周身最好是光滑的圓柱，不要有凹凸不平的波浪紋，直接選用粗一點的實心銅線彎成合適的圓環形狀，作為波導內的激勵源。為了降低加工復雜度，讓制作工具較易找到，需要準備的工具有電鉆、電烙鐵、尺子、剪刀、銼、美工刀。所用原材料和工具如圖3所示。

圖3 罐頭天線制作材料和工具

天線的加工過程非常簡單，根據仿真獲得的最佳尺寸，首先找到合適的饋電位置，利用電鉆在罐上鉆出饋電孔和接頭固定孔，如果沒有電鉆，也可以用釘子打孔；然后將粗銅導線加工出饋電圓環，并將饋電圓環一端與SMA接頭焊接；最后將饋電圓環通過饋電孔旋轉探入罐中并用螺絲固定接頭，完成天線制作。

加工完天線之后，使用南京普納公司的PNA3621型矢量網絡分析儀及天線轉臺測試系統對該天線進行阻抗特性、方向特性和極化特性的測量[12]。該測試系統采用電橋法可對天線的回波損耗、駐波比等反射特性進行測試；采取旋轉天線法對天線的方向性和圓極化軸比特性進行測試。將待測天線固定于測試轉臺上，通過方向控制器控制天線在水平面內旋轉360°，接收天線接收來自轉臺上發射天線的場強，經過后處理得到測試結果。在網絡分析儀儀表面板顯示結果的同時，通過網絡分析儀串行接口，在電腦上可顯示出測量的相關圖形曲線和數據。測試頻率范圍為2～3 GHz，共選取81個采樣測試點，測得天線輸入端反射系數曲線、極坐標下的方向圖和頂點的圓極化軸比特性曲線，如圖4所示。

從測量結果可以看出，設計的圓極化天線的阻抗匹配特性很好，最佳反射系數對應的頻點與仿真結果相比偏低，可以通過改變圓環尺寸實現工作頻率的調整；天線的實測方向性圖主瓣對稱性較好，但是后瓣較大，與仿真時的結果有些差異，這可能是由于實驗室的空間測試環境復雜導致的；天線頂點軸比測試曲線不平滑呈鋸齒狀，這是由于電波多次反射后進入測試天線所致。另外測試軸比值較仿真值偏大，可能由于轉臺旋轉過程中天線頂點發生偏移導致測試結果偏離頂點的軸比值。但總的來說，測試結果與仿真結果吻合，測試過程有助于學生了解天線的特性和測試方法。最終將測試合格的天線應用到WLAN終端路由器，實現信號的良好收發，學生看到自己親手制作的天線用在了自己的身邊，體會到了前所未有的成就感，大大提高了學生學習和實驗的興趣。

3 結束語

為了全面考查學生對天線的認識，培養學生將天線理論與工程實踐相結合的能力，本文提出了一種適合學生自己動手設計和制作天線，并自行調試和測量天線，開展綜合性和設計性天線實驗的教學方法。在對波導天線結構和工作原理分析的基礎上，設計了一種工作在ISM頻段2.45 GHz的低成本圓極化天線。利用HFSS電磁仿真軟件對天線建模并進行仿真優化，得到了最佳的反射系數、方向性和圓極化特性等參數。然后加工制作了天線實物，并在天線測試平臺上利用PNA3621網絡分析儀進行了阻抗特性、方

圖4 罐頭天線測試過程及測量結果

向特性和極化特性的測試。最終將測試合格的天線放到無線路由器進行工程驗證，實現了信號的良好收發，從而達到了學以致用的目的。該實驗教學有利于加強學生對天線特性的理解，增強實驗興趣，提高教學效果。另外，本文設計的圓極化天線結構簡單，也利于實際工程實現與應用。

References)

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Research on low cost circularly polarized antenna experimental teaching

Fu Shiqiang, Li Chanjuan, Shao Yumeng, Fang Shaojun

(Demonstration Center of National Electrical and Electronic Experiment Teaching, DalianMaritime University, Dalian 116026, China)

In order to improve students’ understanding on antenna characteristics (including input impedance, radiation pattern and polarization), and to enable students to experience the whole process from antenna theoretical design to the engineering application, a low cost circularly polarized antenna structure suitable for experimental teaching has been proposed. The experimental teaching idea of antenna engineering has been put forward, including theory design, simulation, fabrication, measurement and engineering application. Through a series of training, the students can be familiar with electromagnetic simulation software and master the antenna parameters analysis and the measurement method. It can ultimately achieve the objective to cultivate the students’ innovative ability in antenna design.

can antenna; HFSS simulation; circular polarization axial ratio; experimental measurement

2014- 09- 30 修改日期：2014- 10- 29

遼寧省教育廳教改項目(UPRP20140812)；大連海事大學教改項目(2014Q07)

傅世強(1981—)，男，山東龍口，博士，副教授，主要從事天線與射頻電路方面的教學和科研工作.

E-mail：fushq@dlmu.edu.cn

TN820；G642.0

A

1002-4956(2015)5- 0216- 03