理論分析與電磁仿真結合的微波器件設計教學

邢 蕾, 孔祥鯤, 徐 千

(南京航空航天大學 電子信息工程學院 雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室, 江蘇 南京 211106)

隨著無線通信系統向大容量、多功能、超寬帶的方向發展,系統對微波器件提出了更高的要求,高校電子信息類專業普遍開設微波器件設計課程,以幫助學生將電磁場與微波技術理論知識融會貫通,并運用到工程實際中[1-2]。在微波器件設計中,實物實驗有助于培養學生的動手實踐能力,但實驗設備昂貴,實驗操作復雜,一旦損壞設備會有較大的經濟損失；有些測試還需要專門的測量環境,如微波暗室、混響室等,在本科教學中較難安排這類實驗[3]。

本文將理論分析與電磁仿真相結合的教學模式引入微波器件設計的課堂教學中,以介質諧振天線設計為例,用微波基礎理論推導介質諧振天線的諧振頻率,利用電磁仿真軟件計算出天線在TE11模式下的電場分布及輻射方向圖,增強學生對天線工作特性的理解,為微波器件類課程的教學改革提供一定的參考。

1 理論分析和電磁仿真相結合的教學模式

微波器件的設計分為微波器件的相關理論計算與仿真、器件的加工和制作、性能測試、實驗驗證與仿真結果的對比等4部分[4]。其中理論計算與仿真是基礎和關鍵內容,它決定其他教學內容能否順利進行。在商業電磁仿真軟件投入使用之前,微波器件的研發周期比較長,要求設計者具有一定計算電磁知識基礎,一些非規則和結構復雜的器件較難仿真。隨著計算電磁學的發展,商業電磁仿真軟件的功能日趨豐富,能夠解決大部分電磁仿真問題。但電磁仿真軟件是把“雙刃劍”,學生能夠較快地熟悉和運用仿真軟件,但也會過于依賴仿真軟件而忽略基礎理論的學習,不能對仿真結果進行合理的解釋和分析,面對較為復雜的工程問題時往往無從下手。

因此,我們在器件設計類課程中引入理論分析和電磁仿真相結合的授課模式。在講授某類器件時,將理論推導與電磁仿真結合起來,全面講解器件特性,引導學生主動思考。教學過程強調基礎、關注物理內涵,使學生在做仿真實驗之前心中有數。

本文以介質諧振天線為例,采用電磁仿真工具CST(Computer Simulation Technology)進行仿真,展示理論分析與電磁仿真相結合的教學模式構建。

CST是全球知名的電磁場仿真軟件公司,其工作室套裝是面向3D電磁、電路、溫度和結構應力設計工程師的一款全面、精確的專業仿真軟件包[5]。整個套裝將8個稱為工作室的子軟件集成在同一用戶界面內,可為用戶提供完整的系統級和部件級的數值仿真分析。在微波器件設計中,主要使用CST微波工作室(CST Microwave Studio)進行高頻無源器件及系統級電磁兼容仿真,應用包括天線/RCS、濾波器、EMI/EMS等[5-6]。

2 基于介質諧振天線設計的教學案例分析

2.1 矩形介質諧振天線諧振頻率推導

介質諧振天線(dielectric resonator antenna,DRA)是一類用介質諧振器作為輻射單元的電小尺寸天線,具有設計自由度高、尺寸小、耦合方法簡單、頻帶寬等優點[7-10]。介質諧振天線的諧振頻率由尺寸、形狀和材料的介電參數決定。相比金屬天線,介質諧振天線的導體損耗可以忽略,介質損耗也較低,因此被廣泛運用于毫米波波段[7]。

介質諧振天線的理論分析方法主要有簡化模型分析法和全波分析法。簡化模型分析發主要是通過設定一個或多個有效而合理的近似來簡化問題[11],本文運用該方法對矩形介質諧振天線進行分析,其中主要涉及磁壁模型(magnetic wall model,MWM),介質波導模型(dielectric waveguide model, DWM)以及鏡像原理[12]。

(1)

(2)

(3)

Ex=kycos (kxx)sin(kyy)cos(kzz)

(4)

Ey=-kxsin(kxx)cos(kyy)cos(kzz)

(5)

Ez=0

(6)

其中,

(7)

(8)

(9)

(10)

圖1 矩形介質諧振天線模型

2.2 介質諧振天線的電磁仿真

采用CST對天線進行全波仿真,以驗證理論推導結果。天線仿真模型及尺寸如圖2所示,天線采用同軸探針饋電。

圖2 介質諧振天線CST仿真模型

經過CST微波工作室的優化與仿真,可得介質諧振天線的反射系數,如圖3所示。從仿真曲線可以看出,天線在0.3～0.317 GHz具有良好的匹配,諧振頻率約為0.308 GHz,與理論計算較為吻合,驗證了基于簡化模型的理論推導。

圖3 介質諧振天線反射系數仿真曲線

由圖4電場分布圖可清晰地看到0.308 GHz介質諧振天線內部電力線的分布特征。

圖4 介質諧振天線在0.308 GHz電場分布圖

圖5給出了天線在0.308 GHz的3D方向圖,可以看出天線的主要輻射方向沿y軸,具有良好的方向性。

圖5 介質諧振天線在0.308 GHz的3D方向圖

圖6給出了天線在工作頻帶內的最大增益曲線,在工作頻帶內,天線最大增益均大于5.5 dB。

圖6 介質諧振天線在工作頻帶內的最大增益曲線

本節通過理論計算與電磁仿真相結合的教學模式,從基本理論出發,借助電磁仿真軟件,對介質諧振天線進行了全面分析。該教學案例有助于學生理解介質諧振天線的工作原理、邊界條件以及工作特性。同時,也有利于學生熟悉電磁仿真流程,提高探索復雜工程問題的能力。

3 結語

本文提出了理論分析和電磁仿真相結合的教學模式。具體的實施步驟包括：(1)篩選典型器件設計工程問題,形成教學案例；(2)利用理論方法分析器件參數,使學生對器件的物理模型有一定了解；(3)借助電磁仿真軟件對器件建模仿真,讓學生形象地理解和掌握器件工作特性,與理論分析結果進行比對,驗證理論推導結果。這種教學模式有助于培養學生成為既有微波技術知識,又熟悉電磁仿真軟件的復合型人才。探索該類課程的教學模式,將該類課程以更好的方式呈現,對器件設計類課程教改有一定的實際意義。