超寬帶喇叭天線方向圖重構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

卞立安 洪穎杰 周曉華 譚馨 黃惠林 薛孟 惠新元

摘? ?要：本文提出了在喇叭天線端口前加載金屬網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方向圖重構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)想。利用CST軟件進(jìn)行仿真，首先在微波段設(shè)計(jì)了漸變結(jié)構(gòu)的TEM喇叭天線，實(shí)現(xiàn)了超寬帶輻射;其次，利用加載偏置的金屬網(wǎng)展示了方向圖的重構(gòu)過(guò)程。重點(diǎn)說(shuō)明了波束數(shù)目、方向與金屬網(wǎng)個(gè)數(shù)、金屬網(wǎng)偏轉(zhuǎn)角度以及天線工作頻率的關(guān)系。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅掌握了曲面喇叭的建模方法，而且加深了對(duì)天線方向圖概念的理解，使得天線的學(xué)習(xí)不再枯燥無(wú)味，提高了學(xué)習(xí)的興趣。

關(guān)鍵詞：喇叭天線? 方向圖重構(gòu)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《微波技術(shù)與天線》是電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程理論性強(qiáng)、公式繁瑣、概念抽象且具有很強(qiáng)的工程性，逐漸形成了學(xué)生難學(xué)、教師難教的現(xiàn)狀[1-3]。天線作為其重要內(nèi)容技術(shù)參數(shù)較多，包括帶寬、增益、方向性、輸入阻抗、輸出阻抗以及輻射效率等。同時(shí)，天線的種類又多種多樣，像傳統(tǒng)的偶極子天線、微帶天線、八木天線、喇叭天線、阿基米德螺旋天線和拋物面反射器天線等。天線技術(shù)雖然是一門古老的學(xué)科，但當(dāng)前仍然發(fā)展迅速，像可穿戴天線、全息編碼天線、石墨烯天線等均是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[4-6]。所以，學(xué)生無(wú)論是學(xué)習(xí)課本基礎(chǔ)知識(shí)還是查閱課外文獻(xiàn)都顯得無(wú)所適從。此外，天線測(cè)試系統(tǒng)昂貴，受經(jīng)費(fèi)和學(xué)科布局的限制，許多高校根本無(wú)法進(jìn)行實(shí)際的天線測(cè)試學(xué)習(xí)。因此，由于工程訓(xùn)練的欠缺，部分學(xué)生只是簡(jiǎn)單地掌握幾個(gè)概念、記住幾個(gè)公式，漸漸喪失對(duì)天線技術(shù)的學(xué)習(xí)熱情。

針對(duì)當(dāng)前天線技術(shù)教與學(xué)的窘境，一些高校開始著手進(jìn)行教學(xué)改革。如合肥工業(yè)大學(xué)基于時(shí)域有限差分法開設(shè)了一些列的天線仿真實(shí)驗(yàn)[7];大連海事大學(xué)通過(guò)設(shè)計(jì)低成本圓極化天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[8];南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院借助微視頻開展天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[9];西安電子科技大學(xué)嘗試基于科研項(xiàng)目流程來(lái)開展天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[10];沈陽(yáng)航空航天大學(xué)利用HFSS仿真軟件來(lái)進(jìn)行天線實(shí)驗(yàn)課程研究[11]。總結(jié)當(dāng)前天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革現(xiàn)狀，一種折中的辦法就是將電磁仿真軟件（如：CST、HFSS、FOKE等）引入到課堂上，讓學(xué)生較為直觀地感受天線的輻射情況，加深學(xué)生對(duì)天線參數(shù)和性能優(yōu)劣的理解，提高其學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到改善教學(xué)效果的目的。

本文基于CST仿真軟件來(lái)設(shè)計(jì)喇叭天線方向圖重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)天線立體方向圖的理解，讓學(xué)生擺脫掉靠空間聯(lián)想來(lái)學(xué)習(xí)的苦惱，使得方向圖的描述不再抽象、內(nèi)容不再枯燥。通過(guò)建模掌握天線仿真設(shè)計(jì)的基本操作流程;通過(guò)觀察超寬帶喇叭天線的方向圖來(lái)理解主瓣數(shù)目、增益、頻率三者的制約關(guān);通過(guò)加載偏置的金屬網(wǎng)來(lái)認(rèn)知天線輻射方向、波束數(shù)目與金屬網(wǎng)偏轉(zhuǎn)角度間的關(guān)系，感受天線方向圖的重構(gòu)過(guò)程。

1? 漸變TEM喇叭天線的建模教學(xué)過(guò)程

原始TEM喇叭天線由兩塊成一定張角的三角形板構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方向性較好、增益高且能夠支持TEM模式波等特點(diǎn)。但是由于阻抗變化的不連續(xù)，導(dǎo)致了這種天線不能形成超寬帶輻射。為了拓展帶寬，將天線兩極板變?yōu)橹笖?shù)漸變型。設(shè)天線終端開口高度和寬度分別為d（z）和w（z），則天線特性阻抗為[12]

在本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)天線長(zhǎng)度L和寬度w（L）分別為50 mm和60mm。根據(jù)式（1）～（3）可算得天線各處阻抗。通過(guò)上述分析學(xué)生能夠更加深刻體會(huì)阻抗匹配的概念，即要形成高效率的寬帶輻射，天線輸入端阻抗要和饋線特性阻抗匹配，而輸出端阻抗要和自由空間阻抗匹配。由于天線極板在x方向和y方向均呈指數(shù)漸變，建模難度較大。根據(jù)工程制圖流程，將建模過(guò)程分為三步。首先如圖1（a）所示，建立x方向指數(shù)變化的不規(guī)則長(zhǎng)方體;其次如圖1（b）所示，構(gòu)造y方向指數(shù)變化的兩個(gè)對(duì)稱曲面;最后，兩結(jié)構(gòu)取布爾“交”操作便可得到圖1（c）所示的指數(shù)漸變型喇叭。通過(guò)建模增強(qiáng)了學(xué)生在電子學(xué)科中應(yīng)用工程制圖知識(shí)的機(jī)會(huì)，消除了部分學(xué)生認(rèn)為電子信息類專業(yè)開設(shè)工程制圖課程無(wú)用的錯(cuò)誤觀念。

圖2給出了天線回波損耗S11曲線。可以看出，當(dāng)天線工作頻率大于4 GHz時(shí)，S11小于-10dB，天線呈現(xiàn)出超寬帶特性。圖3給出4 GHz、8 GHz、12 GHz、16 GHz和20 GHz處的天線方向圖。顯然，隨著頻率的增加，天線增益顯著變化，且主瓣在高頻段分裂。通過(guò)對(duì)這一現(xiàn)象的觀察，學(xué)生加深了天線方向圖與頻率關(guān)系的認(rèn)知。

2? 金屬網(wǎng)加載天線方向圖重構(gòu)教學(xué)展示

如圖4所示，為了實(shí)現(xiàn)天線方向圖的重構(gòu)功能，將刻有圓孔的金屬網(wǎng)加載在天線端口前段。以金屬網(wǎng)中心為旋轉(zhuǎn)中心，圖5給出了金屬網(wǎng)偏離z軸一定角度α下天線的S11曲線。可見，以一定的偏角來(lái)加載金屬網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致天線低頻段輻射性能惡化。圖6顯示了8 GHz下不同α對(duì)應(yīng)的天線方向圖。可見，當(dāng)α=0o時(shí)，方向圖主瓣被切割成兩部分;隨著α增大，金屬網(wǎng)抑制了天線向右側(cè)輻射的能力;當(dāng)α較大時(shí)（如45o），由于輻射場(chǎng)與反射場(chǎng)的相互疊加，主瓣再次分裂。因此，金屬網(wǎng)的偏轉(zhuǎn)不但改變了天線的輻射方向而且控制了波束的數(shù)目。基于這一過(guò)程，學(xué)生能夠初步了解如何操縱天線的輻射方向。實(shí)際上，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)方向圖重構(gòu)的主要技術(shù)手段是相控陣天線技術(shù)和新興的全息編碼超材料技術(shù)[13，14]。安排讓學(xué)有余力的學(xué)生課后查閱有關(guān)資料，了解科技前沿，也可鼓勵(lì)學(xué)生加入教師的科研項(xiàng)目，深入學(xué)習(xí)天線重構(gòu)技術(shù)。

3? 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)以漸變型喇叭天線為例，通過(guò)加載金屬網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)方向圖的可重構(gòu)。學(xué)生通過(guò)CST仿真建模能夠進(jìn)一步理解阻抗匹配的概念;加強(qiáng)對(duì)天線輻射性能與頻率密切相關(guān)的認(rèn)知;初步掌握可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)方法。雖然改變金屬網(wǎng)的角度能夠?qū)崿F(xiàn)波束數(shù)目和指向的變換，但是機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)金屬網(wǎng)波束轉(zhuǎn)換速度慢、波束類型不夠豐富，特別是不能夠滿足軍事上實(shí)時(shí)跟蹤和定位的要求。鼓勵(lì)有興趣的學(xué)生考取電磁場(chǎng)與微波技術(shù)方向的研究生，繼續(xù)天線技術(shù)的學(xué)習(xí)，為國(guó)防技術(shù)的發(fā)展做貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)