超材料技術(shù)在天線設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

卞立安 王垚錕 李丹琳 洪穎杰 黃楷程 劉雨

摘 ?要：為了增強(qiáng)天線課程的時代性并提高學(xué)生學(xué)習(xí)天線的興趣，將超材料技術(shù)引入到天線設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過構(gòu)建LOGO貼片天線、卡通型反射陣天線和圓環(huán)超材料喇叭天線仿真平臺，學(xué)生不僅能夠加深對三類基本天線工作原理的理解而且能夠初步了解超材料技術(shù)的強(qiáng)大功能。由于超材料圖案具有天然的藝術(shù)美，所以學(xué)生在仿真超材料天線時可感受到科學(xué)與藝術(shù)的相融性，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)審美能力。

關(guān)鍵詞：超材料技術(shù) ?天線設(shè)計 ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革 ?科學(xué)審美能力

中圖分類號：TN820;G642.0 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0236-03

Application of Metamaterial Technology in Experiment Teaching Reform of Antenna Design

BIAN Li'an* ?WANG Yaokun ?LI Danlin ?HONG Yingjie ?HUANG Kaicheng ?LIU Yu

（Changsha University of Science and Technology， Changsha， Hunan Province， 410114 China）

Abstract： In order to strengthen the contemporary style of antenna course and then improve the students' interest in learning antenna， the metamaterial technology is introduced into the experimental teaching of antenna design. By structuring the simulation platform of logo patch antenna， cartoon reflective array antenna and ring metamaterial horn antenna， the students can not only deepen their understanding of the working principles of three kinds of basic antennas， but also preliminarily understand the powerful functions of metamaterial technology. Thanks to the natural artistic beauty of metamaterial pattern， students can feel the integration of science and art when they simulate the metamaterial antenna， which is conducive to cultivate students' scientific aesthetic ability.

Key Words： Metamaterial technology; Antenna design; Experiment teaching reform; Scientific aesthetic ability

天線作為射頻通信系統(tǒng)的前門起著收發(fā)電磁信號的作用。本科專業(yè)課程《天線原理與設(shè)計》肩負(fù)著培養(yǎng)未來天線開發(fā)工程師的任務(wù)。該課程具有理論抽象且實(shí)驗(yàn)測試難以開展的特點(diǎn)，學(xué)生普遍感覺無所適從。此外，天線種類繁多，包括偶極子天線、喇叭天線、螺旋天線、貼片天線、反射器天線等，這進(jìn)一步增加了學(xué)生掌握天線基本原理的難度。基于上述情形，各大高校紛紛進(jìn)行了天線課程教學(xué)改革研究[1-3]。其中，一種重要手段是引入電磁仿真軟件，如HFSS和CST。仿真平臺的搭建大大提高了天線原理驗(yàn)證與設(shè)計的效率，能夠直觀地查看天線的回波損耗、方向圖以及表面電流分布等重要參數(shù)。

然而，仿真實(shí)驗(yàn)中更多地強(qiáng)調(diào)天線的工作原理，且天線形式陳舊，課程的趣味性和時代性并沒有得到提高，以至學(xué)生的學(xué)習(xí)動力沒有顯著增強(qiáng)，甚至一些同學(xué)對軟件操作不熟悉反而進(jìn)一步降低了學(xué)習(xí)熱情。因此，如何提高天線設(shè)計實(shí)驗(yàn)的趣味性是當(dāng)前天線類課程應(yīng)亟需解決的問題。超材料作為一種人工電磁媒質(zhì)能夠呈現(xiàn)出傳統(tǒng)材料所不具備的電磁特性，可有目的性地對電磁波實(shí)施操控。將超材料技術(shù)應(yīng)用到天線設(shè)計中能夠有效改變天線的輻射性能。例如，南京理工大學(xué)在微帶天線上刻蝕“工”字型圖案實(shí)現(xiàn)了天線的小型化[4];曲阜師范大學(xué)通過加載折射率為零的復(fù)合方環(huán)超材料改善了Vivaldi天線異面易形成柱面波的缺陷而提高了天線增益[5];東南大學(xué)對超材料進(jìn)行編碼設(shè)計了數(shù)字編碼天線實(shí)現(xiàn)了對波束數(shù)目的靈活控制[6];貴州大學(xué)通過加載零介電常數(shù)超材料提高了太赫茲貼片天線的增益[7]。

鑒于超材料技術(shù)在天線設(shè)計中的巨大應(yīng)用潛力，本教學(xué)改革將通過構(gòu)建LOGO貼片天線、超表面反射陣天線和超材料喇叭天線仿真平臺來切實(shí)提高學(xué)生對天線基本原理的理解、增強(qiáng)課程的趣味度及拓寬課程內(nèi)容的前沿性，使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識的同時感受科學(xué)與藝術(shù)的融合，體會科學(xué)研究之美。

1 ?仿真平臺構(gòu)建

超材料的形式變化多端，引入所有典型超材料來設(shè)計天線教學(xué)實(shí)驗(yàn)并不現(xiàn)實(shí)。因此，實(shí)驗(yàn)中將重點(diǎn)引入“王”字LOGO貼片天線、卡通型超材料反射陣天線、多圓環(huán)周期超材料加載的喇叭天線。通過3個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的練習(xí)，學(xué)生能夠加強(qiáng)對貼片天線、反射型天線和喇叭天線輻射原理的理解。

1.1 貼片天線

貼片天線在天線家族中占有非常重要的地位，其由兩上下個金屬薄板夾介質(zhì)層構(gòu)成。由于這類天線具有尺寸小、工藝簡單、成本低等優(yōu)勢，所以被廣泛用于無線通信、航空航天等領(lǐng)域。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)貼片天線的動力，設(shè)計了圖1所示的帶有“王”字超材料圖案的貼片單元。“王”字的引入改變了原有貼片的電流流通路徑以至有效更改了天線的輻射頻帶。通過設(shè)計合理的尺寸參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)Wi-fi雙頻輻射。學(xué)生通過改變“王”字三橫一豎的長和寬能夠調(diào)節(jié)天線的工作頻帶。在貼片上刻蝕其他漢字，觀察天線回波損耗、帶寬及方向圖的變化，學(xué)生能夠感受到超材料技術(shù)的神奇。

1.2 卡通型超材料反射陣天線

通過饋源天線照射反射陣能夠調(diào)節(jié)電磁波的輻射方向和極化方式。圖2顯示了經(jīng)過二值化處理得到的一卡通圖案，該圖案構(gòu)成反射超材料。二值處理圖案單元數(shù)目會比較大，這可能導(dǎo)致仿真時間過長。通過稀疏處理能夠刪減單元數(shù)目，仿真中可對比滿單元和稀疏單元對應(yīng)天線輻射性能的區(qū)別。使用不同的卡通圖案能夠形成不同功能的超材料反射板。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可使用自己的微信頭像或互換微信頭像來構(gòu)造卡通超材料反射陣，觀察并總結(jié)天線性能的差異。卡通圖案的引入必將大大提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，給原本枯燥的天線課堂帶來嶄新的活力。學(xué)生還可將長沙理工大學(xué)校徽制作成超材料反射陣，充分體驗(yàn)DIY的樂趣。

1.3 超材料加載的喇叭天線

由于喇叭天線具有頻帶寬、功率容量大、定向性好等特點(diǎn)，因此其在軍事和民用上被廣泛應(yīng)用。圖3給出了圓環(huán)周期超材料加載的TEM喇叭天線。每個超材料單元由一個大圓環(huán)嵌套3個小圓環(huán)構(gòu)成，而喇叭天線具有漸變的張口。由于TEM喇叭支持超寬帶輻射，所以工作中很可能與現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的窄帶通信相互干擾，那么喇叭天線就應(yīng)該具有帶陷特性。圓環(huán)型超材料板具有空間濾波的作用，在一定頻帶處喇叭天線輻射的電磁波將不能通過超材料板而被反射回去。這樣，在頻譜上寬的輻射帶具有帶陷點(diǎn)。改變嵌套圓環(huán)的數(shù)量和尺寸能夠調(diào)節(jié)帶陷點(diǎn)的個數(shù)和位置。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生也可將圓環(huán)變?yōu)榉江h(huán)或其他形狀，挖掘超材料板的功能。同時，帶陷型頻譜亦能啟發(fā)學(xué)生辯證地思考問題，不盲目地追求絕對的寬帶或窄帶輻射，而在矛盾的對立中尋求統(tǒng)一。

2 ?實(shí)施方法

安排學(xué)生預(yù)先學(xué)習(xí)仿真軟件相關(guān)教學(xué)書籍或視頻教程，掌握天線仿真的基本流程。

了解超材料有關(guān)知識，對超材料的構(gòu)造方法和用途有必要的認(rèn)知。

掌握貼片天線、反射陣天線、喇叭天線的工作原理，理解衡量天線性能優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)。

利用已經(jīng)構(gòu)建好的仿真平臺觀察仿真結(jié)果，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

更改結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)，重新分析天線輻射性能，解釋指標(biāo)參數(shù)變化的原因。

嘗試構(gòu)建新的超材料模型，感受不同圖案的藝術(shù)之美，觀察不同超材料間功能的差異。

3 ?預(yù)期效果

（1）了解當(dāng)前主流電磁仿真軟件的開發(fā)依然由國外企業(yè)主導(dǎo)，增強(qiáng)自主創(chuàng)新的使命感。

（2）加深對天線基本理論、基本分析方法的理解，提高根據(jù)目標(biāo)性能參數(shù)設(shè)計實(shí)用天線的能力。

（3）了解超材料技術(shù)的發(fā)展方向，掌握超材料基本原理，能夠構(gòu)造簡單功能的超材料結(jié)構(gòu)。

（4）設(shè)計功能豐富的超材料天線，鼓勵學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計大賽或創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽。

（5）引導(dǎo)有興趣的學(xué)生開展更加深入的研究，報考電磁場與微波技術(shù)方向研究生。

（6）體會科學(xué)與藝術(shù)的相融性，提高科學(xué)審美的能力，培養(yǎng)從哲學(xué)層面領(lǐng)悟科學(xué)的魅力。

4 ?結(jié)語

本文通過分析當(dāng)前天線課程中面臨的現(xiàn)實(shí)問題將超材料技術(shù)引入到天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中。利用超材料加載的貼片天線、反射陣天線和喇叭天線來構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)平臺，幫助學(xué)生理解不同天線的輻射原理，理清不同類型天線間的聯(lián)系與區(qū)別。由于超材料是一種具有特定電磁功能的圖案，其本身便展現(xiàn)出極強(qiáng)的藝術(shù)美。因此，基于超材料技術(shù)來開展天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)必然增強(qiáng)學(xué)生的好奇心，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。基于同樣的目的，在課時允許的條件下還將開設(shè)可穿戴天線和液體天線仿真實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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