CST仿真軟件在天線綜合設(shè)計實驗教學(xué)中的應(yīng)用

霍佳璐

(重慶移通學(xué)院 公共大數(shù)據(jù)安全技術(shù)重慶市重點實驗室,重慶 401520)

0 引言

在新工科背景下,為提高學(xué)生的綜合能力,各大高校全方面整合資源,專研更多交互式教學(xué)范式,各類“線上+線下”交互學(xué)習(xí)方式層出不窮[1]。簡單的“線上”講、“線下”做并無法滿足工科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求,這一點在畢業(yè)生應(yīng)具備并應(yīng)實現(xiàn)的職業(yè)能力與成就上尤為突出[2]。

天線工程師這一職位是電子信息類專業(yè)本科生夢寐以求的理想崗位之一,扎實的理論功底、精通電磁仿真軟件、熟練使用各類微波測試儀器是基本要求,具有一定天線設(shè)計能力和職商的人更受企業(yè)青睞。“電磁波與電磁場”素來以內(nèi)容抽象、公式煩瑣、計算復(fù)雜號稱,并一度成為學(xué)生口中的“老大難”,也是教師眼中的“硬骨頭”[3]。大多數(shù)實驗儀器較為昂貴,操作難度高,測量環(huán)境要求苛刻,在本科階段開展存在較多不可控因素,這也成為諸多高校未能全面開展天線或微波類硬件實驗的主要因素[4]。

天線綜合設(shè)計實驗借助CST仿真軟件實現(xiàn)典型天線的設(shè)計與分析,將抽象難以理解的理論知識轉(zhuǎn)換成直觀且易于識別的1 D、2D、3 D視圖,從視覺上刺激學(xué)生神經(jīng),加深理論知識的立體認(rèn)識,鞏固學(xué)習(xí)效果[5]。多次典型天線設(shè)計與分析的復(fù)現(xiàn),在提高學(xué)生理論認(rèn)知、數(shù)據(jù)分析比對能力的同時,注重鍛煉其操作仿真能力,加深對CST類仿真軟件的熟悉度。天線綜合設(shè)計實驗最后是團隊協(xié)作創(chuàng)新型天線設(shè)計項目,采用合作學(xué)習(xí)形式,實現(xiàn)自主式探索創(chuàng)新設(shè)計,擴展學(xué)生思維,全面培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力,強化學(xué)生創(chuàng)新意識,磨煉團隊協(xié)作技巧,達到技術(shù)、職商雙提升的效果。這正是在HOPE教育教學(xué)理念的外在體現(xiàn)。

本文根據(jù)實驗培養(yǎng)目標(biāo)較為詳盡地介紹了電磁仿真軟件在實驗原理輔助理解、天線設(shè)計和數(shù)據(jù)分析等方面的應(yīng)用情況,并以半波偶極子天線、微帶天線的設(shè)計復(fù)現(xiàn)為案例。

1 天線綜合設(shè)計實驗

天線綜合設(shè)計實驗通過多項典型天線設(shè)計的復(fù)現(xiàn),反復(fù)訓(xùn)練,使學(xué)生將天線設(shè)計的原理、CST仿真軟件操作的要點從頭腦記憶轉(zhuǎn)變成肌肉記憶。本實驗教學(xué)采用互聯(lián)網(wǎng)交互式教學(xué),利用當(dāng)下較火的騰訊會議、QQ課堂、釘釘?shù)戎辈テ脚_進行講授與互動,并基于CST電磁仿真軟件進行仿真實現(xiàn)[6]。

天線綜合設(shè)計實驗由5個階段組成,分別為CST電磁仿真軟件介紹、天線設(shè)計預(yù)備知識介紹、典型天線設(shè)計實驗項目、綜合天線設(shè)計實驗項目、項目路演及答辯。具體教學(xué)設(shè)計如圖1所示。

圖1 教學(xué)總體設(shè)計

天線設(shè)計預(yù)備知識涉及經(jīng)典電磁理論、天線設(shè)計理論兩方面,前者包含經(jīng)典麥克斯韋方程組的推導(dǎo)與解析、電磁波在介質(zhì)中的傳輸特性分析、傳輸線的特性分析、波導(dǎo)理論等基礎(chǔ)的原理性知識,后者含有天線的輻射原理、天線的基本參數(shù)、波束掃描、天線陣等理論知識。

在經(jīng)典天線設(shè)計實驗項目中,每個項目所涉及的重難點知識、工程要點均穿插到項目中講解,加深理論認(rèn)識。以微帶天線設(shè)計為例,理論內(nèi)容將以微帶天線設(shè)計的5項基本問題展開,即阻抗、相速、損耗、色散、功率,最終落腳到設(shè)計,再利用微帶傳輸線設(shè)計天線。

綜合天線設(shè)計實驗項目,學(xué)生自行組隊,從實驗項目庫中選題或自擬項目,利用所學(xué)知識創(chuàng)新設(shè)計天線,討論設(shè)計方向,制作方案雛形,利用CST仿真和數(shù)據(jù)分析,最終進行項目路演及答辯。

2 微帶天線設(shè)計與仿真實驗

微帶天線的設(shè)計一般分為微帶分析與微帶綜合兩部分。微帶分析通過理論知識講解,同學(xué)們可建立基礎(chǔ)知識體系。微帶綜合問題的求解,需要在微帶諧振頻率、相對介電常數(shù)、高度的已知條件下求解微帶天線尺寸。本實驗以矩形微帶天線設(shè)計為例,此處微帶天線的尺寸具體指矩形微帶天線的長度、寬度[7]。

矩形微帶天線的設(shè)計包括:矩形貼片設(shè)計、側(cè)饋式饋深度設(shè)計。

(1)矩形貼片設(shè)計。

矩形微帶天線矩形貼片的設(shè)計涉及以下4個參數(shù):輻射元的寬度W、定高介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)εre、等效縫隙寬度ΔL、輻射元的物理長度L。現(xiàn)省略推導(dǎo)過程,4個參數(shù)的應(yīng)用公式分別為:

(2)

(3)

(4)

(5)

上述公式中,c為光速;fr為介電材料的工作頻率;εr為介電材料的相對介電常數(shù);h為給定介質(zhì)層厚度。

(2)側(cè)饋式饋深度設(shè)計。

本實驗矩形微帶天線采用標(biāo)準(zhǔn)微帶天線側(cè)饋方式,其饋深度設(shè)計利用以下4組公式完成,分別為:

(6)

(7)

(8)

(9)

公式(7)(8)分別用于計算不考慮、考慮縫隙互耦時情況的導(dǎo)納,結(jié)合公式(6)與公式(9)算出滿足50 Ω匹配特性的實際微帶天線插入深度值。

在參數(shù)確定后根據(jù)圖2完成建模。根據(jù)CST的天線設(shè)計流程對其進行仿真,調(diào)整參數(shù),達到最優(yōu)水平。如圖3所示,優(yōu)化后的參數(shù)實現(xiàn)了天線的工作頻率為f=5.5 GHz的設(shè)計。圖4為在5.5 GHz頻點處天線的1 D增益方向,通過對圖4的直觀分析,提高學(xué)生分析能力、深化理論認(rèn)識。該優(yōu)化后的仿真結(jié)果達到預(yù)期設(shè)計要求,符合項目標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 矩形微帶天線設(shè)計(左：Top view 右：Side view)

圖3 參數(shù)優(yōu)化后的S-Parameters

圖4 在5.5 GHz頻點處天線的1D增益方向

學(xué)生通過6項典型基本天線的設(shè)計、仿真、優(yōu)化已具有一定工程設(shè)計思路。學(xué)生可將遇到的設(shè)計問題及解決方案分享至在線學(xué)習(xí)平臺進行項目分享,與他人共勉。同時,教師可將典型工程問題匯總以供學(xué)生借鑒學(xué)習(xí)[9]。綜合設(shè)計實驗時,學(xué)生以實際工程項目流程為線,組建團隊協(xié)作設(shè)計,并將設(shè)計思路、方案、仿真資料整理成冊,最終以路演形式答辯演示,路演過程將制作成導(dǎo)學(xué)錄像,傳至教學(xué)平臺。對于創(chuàng)新型天線設(shè)計,將包裝為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目用于孵化與落地。

3 結(jié)語

實踐教學(xué)表明,開展天線綜合設(shè)計實驗可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性,在深度、廣度、創(chuàng)新度上都有所提升。實驗的實施步驟包括理論知識串燒、典型天線設(shè)計復(fù)現(xiàn)、自主探索創(chuàng)新設(shè)計、項目路演及答辯。實驗循序漸進,由淺入深,由理論到實踐,通過協(xié)作、路演鍛煉學(xué)生有效溝通表達等職場必備技能,使學(xué)生全面立體理解理論知識,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)意識,構(gòu)建科研思維。