CST電磁仿真技術(shù)在天線實驗教學(xué)中的應(yīng)用

孔祥鯤， 邢 蕾

(1. 南京航空航天大學(xué) 雷達成像與微波光子技術(shù)教育部重點實驗室， 江蘇 南京 211106；2. 東南大學(xué) 毫米波國家重點實驗室， 江蘇 南京 210096)

CST電磁仿真技術(shù)在天線實驗教學(xué)中的應(yīng)用

孔祥鯤1，2， 邢 蕾1

(1. 南京航空航天大學(xué) 雷達成像與微波光子技術(shù)教育部重點實驗室， 江蘇 南京 211106；2. 東南大學(xué) 毫米波國家重點實驗室， 江蘇 南京 210096)

提出了在典型工程問題的指導(dǎo)下構(gòu)建電磁仿真實驗教學(xué)環(huán)境的構(gòu)想。以超寬帶單極子微帶天線的典型工程為例，采用全波電磁仿真軟件CST，對典型的單極子微帶天線進行優(yōu)化設(shè)計和仿真研究，對天線的寬帶輻射特性進行了分析和演示，突出展示了電磁仿真軟件輔助實驗教學(xué)的形象化特點。結(jié)合在線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)服務(wù)，幫助學(xué)生更好地提高解決復(fù)雜工程問題的能力。

超寬帶單極子天線； 電磁仿真； 微帶線； 實驗教學(xué)

“微波技術(shù)與天線”是電子信息類專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課[1-2]。該課程內(nèi)容抽象、公式繁瑣、計算復(fù)雜，學(xué)生難學(xué)、教師難教[3-4]。電磁場與電磁波的測量實驗一般需要使用較貴的實驗設(shè)備，儀器的操作比較復(fù)雜，操作不當(dāng)還可能帶來較大的經(jīng)濟損失；有些測試更需要專門的測量場地環(huán)境——例如微波暗室，這在一些學(xué)校的本科教學(xué)過程中是很難全部展開的。

利用先進的電磁仿真軟件和微波電路加工技術(shù)可以提高研究效率和水平、縮短研發(fā)周期[5-7]。指導(dǎo)學(xué)生掌握電磁仿真軟件和微波電路加工技術(shù)，利用電磁仿真技術(shù)解決典型工程問題，有利于學(xué)生將專業(yè)理論融會貫通并運用到工程實際中，成為有實踐能力的電磁場與微波技術(shù)專業(yè)人才[8-10]。

1 利用工程問題構(gòu)建電磁仿真實驗教學(xué)環(huán)境

利用典型工程問題構(gòu)建電磁仿真實驗教學(xué)環(huán)境，不僅是教學(xué)形式的變化，更是教學(xué)內(nèi)容的變革[11-12]，其目的在于改變學(xué)生以單純接受教師傳授知識為主的維持性學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生構(gòu)建開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供更多獲取知識的途徑和更好的綜合運用于實踐的環(huán)境，重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，從而改變傳統(tǒng)教學(xué)以教師、課堂和書本為中心的狀況。

采用電磁仿真軟件CST構(gòu)建典型工程的電磁仿真實驗教學(xué)環(huán)境。CST軟件具有完備的三維全波電磁場仿真技術(shù)，是CST公司集30余年在3D電磁場算法研究和軟件開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，是面向3D電磁、電路、溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計的一款專業(yè)仿真軟件套裝包。該軟件套裝包含8個稱為工作室的子軟件，集成在同一用戶界面內(nèi)，可以為用戶提供從芯片級到系統(tǒng)級的完整的數(shù)值仿真分析。用于天線仿真分析的工程則是基于CST Microwave Studio軟件，它主要用于無源微波器件和天線的仿真設(shè)計、雷達散射和電磁兼容問題的分析計算。

典型工程問題建立后，通過在線網(wǎng)站架設(shè)服務(wù)(如WIX平臺)，就可以通過多媒體網(wǎng)絡(luò)建立起師生交流和學(xué)習(xí)的平臺，構(gòu)建起電磁仿真教學(xué)環(huán)境。該網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺能讓用戶在其在線網(wǎng)站編輯器中通過拖放工具創(chuàng)建HTML網(wǎng)站，用戶也可以在網(wǎng)站編輯器中加入額外的功能，例如社交網(wǎng)絡(luò)按鈕、聯(lián)系表格、電子報及社區(qū)論壇等。

2 超寬帶單極子天線設(shè)計與電磁仿真

超寬帶(ultra-wideband，UWB)無線通信技術(shù)具有小范圍的超強無線設(shè)備連接能力，且具有低功耗、高性能和低成本無線數(shù)據(jù)通信的特點，在精確定位系統(tǒng)、探地雷達以及短距通信等方面已有廣泛的應(yīng)用。超寬帶天線在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準將UWB(3.1～10.6 GHz)用于短距離無線通信后，人們要求超寬帶天線結(jié)構(gòu)更簡單、體積更小。

本文中，作為典型工程案例的超寬帶單極子微帶天線采用金屬圓片作為天線主輻射單元，微帶饋線輸入電磁波能量，F(xiàn)R4作為介質(zhì)層，介質(zhì)層背面設(shè)計金屬地板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)均經(jīng)過仿真與優(yōu)化設(shè)計。

圖1 超寬帶單極子微帶天線結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過CST微波工作室對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行電磁仿真，可以得到該款超寬帶單極子微帶天線的回波損耗仿真曲線，如圖2所示。回波損耗-10 dB以下天線工作頻率覆蓋2.4～10.7 GHz，帶寬8 GHz符合超寬帶天線的定義。此外，圖3表明，該超寬帶單極子微帶天線在工作頻率范圍內(nèi)的電壓駐波比(VSWR)均小于2，滿足天線設(shè)計的指標要求。

圖2 超寬帶單極子微帶天線回波損耗仿真曲線

圖3 超寬帶單極子微帶天線電壓駐波比仿真曲線

在工作頻帶范圍內(nèi)，取3 GHz和9 GHz兩個頻點研究天線增益方向圖。圖4為3 GHz頻點處的天線三維增益方向圖；圖5為該天線在3 GHz頻點處E面和H面的二維增益方向圖。可以看出：在3 GHz頻點處，天線E面3 dB帶寬108o，而H面具有全向性的特點，天線增益近似等于1 dB。

圖4 在3 GHz頻點處的天線三維增益方向圖

圖5 在3 GHz頻點處的天線二維增益方向圖

圖6為9 GHz頻點處的天線三維增益方向圖；圖7為該天線在9 GHz頻點處E面和H面的二維增益方向圖。可以看出：在9 GHz頻點處，天線E面3 dB帶寬31.9°，而在H面具有全向性的特點,天線增益等于5.21 dB。該仿真結(jié)果達到了預(yù)計的超寬帶單極子微帶天線的設(shè)計要求。

圖6 在9 GHz頻點處的天線三維增益方向圖

圖7 在9 GHz頻點處的天線二維增益方向圖

將形成的典型工程問題通過在線網(wǎng)站架設(shè)服務(wù)，形成線上師生學(xué)習(xí)交流平臺。也可以將建模仿真的過程錄制成導(dǎo)學(xué)錄像，上傳至服務(wù)器，供學(xué)生參考。借助網(wǎng)站的互動系統(tǒng)，使得教師最大限度地掌握學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握理論知識的情況。

3 結(jié)語

在典型工程問題的指導(dǎo)下構(gòu)建電磁仿真實驗教學(xué)環(huán)境，形成更為直觀的電磁場模型，可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握電磁場與電磁波理論；通過在線網(wǎng)站架設(shè)服務(wù)和師生教學(xué)互動平臺，學(xué)生可以更為便捷地獲得解決復(fù)雜工程問題的指導(dǎo)。這種基于電磁仿真技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺構(gòu)建，對于“微波技術(shù)與天線”實驗教學(xué)的改革具有一定的參考意義。

References)

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Application of CST electromagnetic simulation technology in antenna experimental teaching

Kong Xiangkun1,2, Xing Lei1

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Radar Imaging and Microwave Photonic Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China; 2. State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The conception of constructing the teaching environment of the electromagnetic simulation experiment based on the typical engineering problems is put forward. By taking the typical engineering project of the ultra-wide band monopole microstrip antenna as an example, the full wave electromagnetic simulation software CST is used for the optimization of the design and the simulation research of the typical monopole microstrip antenna. The wide band radiation characteristics of the antenna are analyzed and demonstrated, and the visualization features of the electromagnetic simulation software-aided experimental teaching are highlighted. In combination with the online network erection service,it helps the students to better train their ability to solve complex engineering problems.

ultra-wide band monopole antenna; electromagnetic simulation; microstrip line; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.028

TN820

A

1002-4956(2017)11-0118-03

2017-05-02

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(NJ20160008)；航空科學(xué)基金項目(20161852016);南京航空航天大學(xué)“十三五”專業(yè)建設(shè)面上項目(1704ZJ01KC03;1704ZJ01KC02)；南京航空航天大學(xué)學(xué)科拓展平臺課程建設(shè)項目(1503JG0402K)；毫米波國家重點實驗室開放課題資助項目(K201609)；

孔祥鯤(1980—)，男，江蘇鎮(zhèn)江，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為人工電磁材料器件設(shè)計、計算電磁學(xué)、電磁場與微波技術(shù).

E-mailxkkong@nuaa.edu.cn