電磁仿真與加工測試結合的可重構天線創新實驗設計

劉北佳， 林 澍， 李鴻志， 劉金龍， 邱景輝

（哈爾濱工業大學電子與信息工程學院，哈爾濱150001）

0 引 言

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

1 實驗技術背景

可重構天線是當前無線通信領域的一項關鍵技術，涉及微電子、射頻等不同學科領域的技術與天線相融合。可重構天線通常采用射頻開關、變容二極管、光控器件、機械可調動力裝置等控制方式來改變天線的結構和電磁特性，或者采用液晶等電特性可變化的材料，實現滿足系統需求的、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點［14-15］。以可重構天線為背景開展創新實驗使學生掌握工程設計天線的專業技能和了解科研全流程，有助于學生工程、應用、創新能力的培養，同時具有重要學術研究價值，也正是產業發展對于專業技術人才的需求。

2 實驗內容與目標

創新實驗以一個可重構天線的理論-設計-仿真-實驗的科研全流程為內容，與國際工程教育理念相契合。讓學生以實踐的方式自主學習，完成軟件設計和硬件測試方案綜合設計實驗，使學生在基礎知識綜合運用、專業技能積累、創新思維方法等方面達到訓練。以一個具體需求的天線設計為目標，學習相關的理論知識，查找研讀中英文參考文獻，熟練使用專業設計軟件，探索天線技術方案，建模仿真優化，轉換版圖，外協加工，測試綜合方案制定實施，總結、分析、歸納，撰寫規范實驗報告。此外，對具有創新應用價值的成果申報發明專利或撰寫學術論文。

3 實驗教學設計

3.1 可重構天線設計

教師依托對行業技術動態和技術發展趨勢的洞察和跟蹤設定每一期創新實驗設計的主題。以方向圖可重構介質諧振天線為例來說明創新實驗教學所涉及的關鍵環節。學生運用天線理論基礎知識和查閱相關文獻，選擇具體的天線形式和擬采用的技術路線。通過教師推送的學習資源，學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涵，完成基本天線的建模仿真設計流程，使學生具備運用專業軟件進行天線工程設計的能力。圖1 為基于寄生單元4 波束可切換的介質諧振天線結構圖，由開關二極管控制，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理論知識和參考文獻進行設計的思路進行驗證，以便形成最終的設計。圖2 是方向圖可重構介質諧振天線的演進過程和對應的阻抗變化曲線，以闡明設計思路。

圖1 天線結構圖

圖2 天線進化圖和三個天線反射系數隨頻率變化曲線

Antenna I為等高中心探針激勵的圓柱形介質諧振天線，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處于導通狀態。圖3 是Antenna I 和Antenna III 在開關依次導通時對應的天線在4 個工作狀態下諧振點處電場分布圖如圖。開關導通驅動寄生單元構成L 形探針，使探針與介質諧振器的耦合增強，引導電場沿被驅動的寄生單元方向集中。所設計的方向圖可重構介質諧振天線即Antenna III分別驅動指向＋y、＋x、-y、-x 的寄生單元對應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，各狀態均具有良好一致的定向輻射特性，增益高達9.74 dB。

3.2 仿真優化

依托電磁仿真軟件對天線結構的關鍵參數進行掃描是優化天線設計的必要而耗時的環節。通常在理論初值附近以一定步長進行單個參數或多個參數的目標性能曲線優化，權衡阻抗、增益、方向圖等多方面性能分析最終確定參數值。以對引入寄生單元的長度進行優化為例，分析驅動寄生單元長度l 對方向圖可重構介質諧振天線反射系數和最大輻射方向所在平面內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 不同發生變化，使諧振器中被激勵的模式發生改變，阻抗特性變化較大，同時被驅動的寄生單元引導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，最優性能對應寄生單元長度為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，實驗中設置加工測試環節。可重構天線的加工測試環節是復雜的工程問題，不但要掌握繪制版圖、外協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以及真實開關與仿真采用理想通斷的差別等，學生需要在教師的指導下進行完備的測試方案方可實施。

（1）控制網絡的實現。控制網絡的實現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開關二極管和變容二極管，需設計直流偏置電路對其進行供電。設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 為一保護電路的仿真和實物模型，用于測試過程中保證來自矢量網絡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果。

圖5 不同寄生單元長度下天線性能

圖6 保護電路

（2）對比測試實驗的設置。通常要在設定的目標測試范圍內進行測試，并將測試結果與仿真結果進行對比分析。可重構天線可增加理想導通和選用真實二極管進行對比實驗，驗證設計所能發揮的性能極限以及二極管性能對可重構天線性能發揮的影響，以指導實際應用天線的選型因素。圖7 所示為用矢量網絡分析儀測試理想導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開關二極管測量天線輻射方向圖。

圖7 天線測試儀器和環境

3.4 總結報告

實驗報告以學術論文的形式呈現，中英文均可，具體包括題目、摘要、關鍵詞、引言、天線設計、結果分析、結論和參考文獻。學生在撰寫實驗報告的過程中，培養了查找閱讀中英文資料跟蹤技術發展趨勢的能力，訓練嚴謹的學術論文撰寫技能，掌握創新成果發表應具備的要素。教師對實驗報告進行評閱，要說明存在的問題，指出進一步研究的方向，并發掘有創新價值的天線設計，指導其申報發明專利和發表學術論文。對有意愿致力于相關方向研究的同學為其提供參與科研項目的機會，使學生蓄積適應未來發展需要的能量。

4 結 語

創新人才的培養是高校面臨的挑戰性問題，同時也是高校開展教育教學改革的重點。本文結合前沿科研成果，把學術研究、工程應用和創新方法的培養融入實驗教學，進行可重構天線的電磁仿真與加工設計全流程解析的實驗設計。通過實驗教學，使學生了解科研的過程、掌握專業本領和激發創新的潛能，助力高校電子信息類創新人才培養。