電磁仿真與加工測試結(jié)合的可重構(gòu)天線創(chuàng)新實驗設(shè)計

劉北佳， 林 澍， 李鴻志， 劉金龍， 邱景輝

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

創(chuàng)新實驗課程是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的重要載體，如何設(shè)計基于創(chuàng)新教育與專業(yè)教育融合的創(chuàng)新實驗至關(guān)重要［1-6］。高校的科研條件與成果是創(chuàng)新實驗的寶貴資源，結(jié)合專業(yè)前沿開設(shè)創(chuàng)新實驗，能夠讓學(xué)生在創(chuàng)新實驗中鞏固、運用專業(yè)理論知識，同時提高科研創(chuàng)新能力，為拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供平臺資源，探索專創(chuàng)融合的實施路徑［7-13］。

1 實驗技術(shù)背景

可重構(gòu)天線是當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)，涉及微電子、射頻等不同學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)與天線相融合。可重構(gòu)天線通常采用射頻開關(guān)、變?nèi)荻O管、光控器件、機械可調(diào)動力裝置等控制方式來改變天線的結(jié)構(gòu)和電磁特性，或者采用液晶等電特性可變化的材料，實現(xiàn)滿足系統(tǒng)需求的、集多個性能的天線于一體的多功能天線，具有小型化、低功耗和電磁兼容性能良好等優(yōu)點［14-15］。以可重構(gòu)天線為背景開展創(chuàng)新實驗使學(xué)生掌握工程設(shè)計天線的專業(yè)技能和了解科研全流程，有助于學(xué)生工程、應(yīng)用、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，同時具有重要學(xué)術(shù)研究價值，也正是產(chǎn)業(yè)發(fā)展對于專業(yè)技術(shù)人才的需求。

2 實驗內(nèi)容與目標(biāo)

創(chuàng)新實驗以一個可重構(gòu)天線的理論-設(shè)計-仿真-實驗的科研全流程為內(nèi)容，與國際工程教育理念相契合。讓學(xué)生以實踐的方式自主學(xué)習(xí)，完成軟件設(shè)計和硬件測試方案綜合設(shè)計實驗，使學(xué)生在基礎(chǔ)知識綜合運用、專業(yè)技能積累、創(chuàng)新思維方法等方面達(dá)到訓(xùn)練。以一個具體需求的天線設(shè)計為目標(biāo)，學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識，查找研讀中英文參考文獻(xiàn)，熟練使用專業(yè)設(shè)計軟件，探索天線技術(shù)方案，建模仿真優(yōu)化，轉(zhuǎn)換版圖，外協(xié)加工，測試綜合方案制定實施，總結(jié)、分析、歸納，撰寫規(guī)范實驗報告。此外，對具有創(chuàng)新應(yīng)用價值的成果申報發(fā)明專利或撰寫學(xué)術(shù)論文。

3 實驗教學(xué)設(shè)計

3.1 可重構(gòu)天線設(shè)計

教師依托對行業(yè)技術(shù)動態(tài)和技術(shù)發(fā)展趨勢的洞察和跟蹤設(shè)定每一期創(chuàng)新實驗設(shè)計的主題。以方向圖可重構(gòu)介質(zhì)諧振天線為例來說明創(chuàng)新實驗教學(xué)所涉及的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。學(xué)生運用天線理論基礎(chǔ)知識和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，選擇具體的天線形式和擬采用的技術(shù)路線。通過教師推送的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生利用課下熟練掌握電磁仿真軟件的基本操作，理解每一步操作的內(nèi)涵，完成基本天線的建模仿真設(shè)計流程，使學(xué)生具備運用專業(yè)軟件進(jìn)行天線工程設(shè)計的能力。圖1 為基于寄生單元4 波束可切換的介質(zhì)諧振天線結(jié)構(gòu)圖，由開關(guān)二極管控制，其中：d ＝60，r ＝25，h ＝4.25，w ＝1.6，l ＝11，g ＝2，單位為mm［16］。

采用電磁仿真軟件可以將依據(jù)理論知識和參考文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)計的思路進(jìn)行驗證，以便形成最終的設(shè)計。圖2 是方向圖可重構(gòu)介質(zhì)諧振天線的演進(jìn)過程和對應(yīng)的阻抗變化曲線，以闡明設(shè)計思路。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 天線進(jìn)化圖和三個天線反射系數(shù)隨頻率變化曲線

Antenna I為等高中心探針激勵的圓柱形介質(zhì)諧振天線，工作在TM02δ模，水平面全向輻射。Antenna II引入一寄生單元與中心探針相連形成的L 型探針激勵的圓柱形介質(zhì)諧振天線。Antenna III帶有4 個寄生單元，且只有沿＋x 方向放置的二極管開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖3 是Antenna I 和Antenna III 在開關(guān)依次導(dǎo)通時對應(yīng)的天線在4 個工作狀態(tài)下諧振點處電場分布圖如圖。開關(guān)導(dǎo)通驅(qū)動寄生單元構(gòu)成L 形探針，使探針與介質(zhì)諧振器的耦合增強，引導(dǎo)電場沿被驅(qū)動的寄生單元方向集中。所設(shè)計的方向圖可重構(gòu)介質(zhì)諧振天線即Antenna III分別驅(qū)動指向＋y、＋x、-y、-x 的寄生單元對應(yīng)的三維輻射方向圖如圖4 所示，且最大輻射方向均在θ ＝50°的平面內(nèi)，各狀態(tài)均具有良好一致的定向輻射特性，增益高達(dá)9.74 dB。

3.2 仿真優(yōu)化

依托電磁仿真軟件對天線結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行掃描是優(yōu)化天線設(shè)計的必要而耗時的環(huán)節(jié)。通常在理論初值附近以一定步長進(jìn)行單個參數(shù)或多個參數(shù)的目標(biāo)性能曲線優(yōu)化，權(quán)衡阻抗、增益、方向圖等多方面性能分析最終確定參數(shù)值。以對引入寄生單元的長度進(jìn)行優(yōu)化為例，分析驅(qū)動寄生單元長度l 對方向圖可重構(gòu)介質(zhì)諧振天線反射系數(shù)和最大輻射方向所在平面內(nèi)輻射方向圖性能的影響。如圖5 所示，可以看出l 的變化對于諧振頻率和輻射方向圖的影響均較大。這是因為諧振器與探針耦合強度隨l 不同發(fā)生變化，使諧振器中被激勵的模式發(fā)生改變，阻抗特性變化較大，同時被驅(qū)動的寄生單元引導(dǎo)電磁能量沿其指向匯聚的強弱不同使天線的定向輻射性能變化。基于上述分析可知，最優(yōu)性能對應(yīng)寄生單元長度為11 mm。

圖3 電場分布俯視圖

圖4 4種模式天線三維輻射方向圖

3.3 加工測試

為使學(xué)生掌握工程實際中加工測試天線所需掌握的技能和方法，實驗中設(shè)置加工測試環(huán)節(jié)。可重構(gòu)天線的加工測試環(huán)節(jié)是復(fù)雜的工程問題，不但要掌握繪制版圖、外協(xié)加工和天線測試方法，還需考慮控制電路、測試中交直流的隔離與保護(hù)以及真實開關(guān)與仿真采用理想通斷的差別等，學(xué)生需要在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行完備的測試方案方可實施。

（1）控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)包括二極管及其直流偏置電路。用于控制的二極管主要采用PIN開關(guān)二極管和變?nèi)荻O管，需設(shè)計直流偏置電路對其進(jìn)行供電。設(shè)計電路時要兼顧直流源與交流源的隔離、二極管的極性和電壓需求和盡可能減小對天線性能測試的不利影響。圖6 為一保護(hù)電路的仿真和實物模型，用于測試過程中保證來自矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和直流電源的信號隔離，避免儀器損壞和影響測試結(jié)果。

圖5 不同寄生單元長度下天線性能

圖6 保護(hù)電路

（2）對比測試實驗的設(shè)置。通常要在設(shè)定的目標(biāo)測試范圍內(nèi)進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。可重構(gòu)天線可增加理想導(dǎo)通和選用真實二極管進(jìn)行對比實驗，驗證設(shè)計所能發(fā)揮的性能極限以及二極管性能對可重構(gòu)天線性能發(fā)揮的影響，以指導(dǎo)實際應(yīng)用天線的選型因素。圖7 所示為用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試?yán)硐雽?dǎo)通天線的阻抗帶寬和在10 m×6 m×6 m的微波暗室中用直流電源驅(qū)開關(guān)二極管測量天線輻射方向圖。

圖7 天線測試儀器和環(huán)境

3.4 總結(jié)報告

實驗報告以學(xué)術(shù)論文的形式呈現(xiàn)，中英文均可，具體包括題目、摘要、關(guān)鍵詞、引言、天線設(shè)計、結(jié)果分析、結(jié)論和參考文獻(xiàn)。學(xué)生在撰寫實驗報告的過程中，培養(yǎng)了查找閱讀中英文資料跟蹤技術(shù)發(fā)展趨勢的能力，訓(xùn)練嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)論文撰寫技能，掌握創(chuàng)新成果發(fā)表應(yīng)具備的要素。教師對實驗報告進(jìn)行評閱，要說明存在的問題，指出進(jìn)一步研究的方向，并發(fā)掘有創(chuàng)新價值的天線設(shè)計，指導(dǎo)其申報發(fā)明專利和發(fā)表學(xué)術(shù)論文。對有意愿致力于相關(guān)方向研究的同學(xué)為其提供參與科研項目的機會，使學(xué)生蓄積適應(yīng)未來發(fā)展需要的能量。

4 結(jié) 語

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是高校面臨的挑戰(zhàn)性問題，同時也是高校開展教育教學(xué)改革的重點。本文結(jié)合前沿科研成果，把學(xué)術(shù)研究、工程應(yīng)用和創(chuàng)新方法的培養(yǎng)融入實驗教學(xué)，進(jìn)行可重構(gòu)天線的電磁仿真與加工設(shè)計全流程解析的實驗設(shè)計。通過實驗教學(xué)，使學(xué)生了解科研的過程、掌握專業(yè)本領(lǐng)和激發(fā)創(chuàng)新的潛能，助力高校電子信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)。