超宽带喇叭天线方向图重构实验教学研究

卞立安 洪颖杰 周晓华 谭馨 黄惠林 薛孟 惠新元

摘   要：本文提出了在喇叭天线端口前加载金属网实现方向图重构的实验教学构想。利用CST软件进行仿真，首先在微波段设计了渐变结构的TEM喇叭天线，实现了超宽带辐射;其次，利用加载偏置的金属网展示了方向图的重构过程。重点说明了波束数目、方向与金属网个数、金属网偏转角度以及天线工作频率的关系。通过该实验，学生不仅掌握了曲面喇叭的建模方法，而且加深了对天线方向图概念的理解，使得天线的学习不再枯燥无味，提高了学习的兴趣。

关键词：喇叭天线  方向图重构  实验教学

《微波技术与天线》是电子信息类专业的一门专业基础课，该课程理论性强、公式繁琐、概念抽象且具有很强的工程性，逐渐形成了学生难学、教师难教的现状[1-3]。天线作为其重要内容技术参数较多，包括带宽、增益、方向性、输入阻抗、输出阻抗以及辐射效率等。同时，天线的种类又多种多样，像传统的偶极子天线、微带天线、八木天线、喇叭天线、阿基米德螺旋天线和抛物面反射器天线等。天线技术虽然是一门古老的学科，但当前仍然发展迅速，像可穿戴天线、全息编码天线、石墨烯天线等均是近年来的研究热点[4-6]。所以，学生无论是学习课本基础知识还是查阅课外文献都显得无所适从。此外，天线测试系统昂贵，受经费和学科布局的限制，许多高校根本无法进行实际的天线测试学习。因此，由于工程训练的欠缺，部分学生只是简单地掌握几个概念、记住几个公式，渐渐丧失对天线技术的学习热情。

针对当前天线技术教与学的窘境，一些高校开始着手进行教学改革。如合肥工业大学基于时域有限差分法开设了一些列的天线仿真实验[7];大连海事大学通过设计低成本圆极化天线进行了实验教学的研究[8];南京信息职业技术学院借助微视频开展天线实验教学改革[9];西安电子科技大学尝试基于科研项目流程来开展天线的实验教学[10];沈阳航空航天大学利用HFSS仿真软件来进行天线实验课程研究[11]。总结当前天线实验教学的改革现状，一种折中的办法就是将电磁仿真软件（如：CST、HFSS、FOKE等）引入到课堂上，让学生较为直观地感受天线的辐射情况，加深学生对天线参数和性能优劣的理解，提高其学习兴趣，达到改善教学效果的目的。

本文基于CST仿真软件来设计喇叭天线方向图重构实验，加强学生对天线立体方向图的理解，让学生摆脱掉靠空间联想来学习的苦恼，使得方向图的描述不再抽象、内容不再枯燥。通过建模掌握天线仿真设计的基本操作流程;通过观察超宽带喇叭天线的方向图来理解主瓣数目、增益、频率三者的制约关;通过加载偏置的金属网来认知天线辐射方向、波束数目与金属网偏转角度间的关系，感受天线方向图的重构过程。

1  渐变TEM喇叭天线的建模教学过程

原始TEM喇叭天线由两块成一定张角的三角形板构成，具有结构简单、方向性较好、增益高且能够支持TEM模式波等特点。但是由于阻抗变化的不连续，导致了这种天线不能形成超宽带辐射。为了拓展带宽，将天线两极板变为指数渐变型。设天线终端开口高度和宽度分别为d（z）和w（z），则天线特性阻抗为[12]

在本次实验教学中设天线长度L和宽度w（L）分别为50 mm和60mm。根据式（1）～（3）可算得天线各处阻抗。通过上述分析学生能够更加深刻体会阻抗匹配的概念，即要形成高效率的寬带辐射，天线输入端阻抗要和馈线特性阻抗匹配，而输出端阻抗要和自由空间阻抗匹配。由于天线极板在x方向和y方向均呈指数渐变，建模难度较大。根据工程制图流程，将建模过程分为三步。首先如图1（a）所示，建立x方向指数变化的不规则长方体;其次如图1（b）所示，构造y方向指数变化的两个对称曲面;最后，两结构取布尔“交”操作便可得到图1（c）所示的指数渐变型喇叭。通过建模增强了学生在电子学科中应用工程制图知识的机会，消除了部分学生认为电子信息类专业开设工程制图课程无用的错误观念。

图2给出了天线回波损耗S11曲线。可以看出，当天线工作频率大于4 GHz时，S11小于-10dB，天线呈现出超宽带特性。图3给出4 GHz、8 GHz、12 GHz、16 GHz和20 GHz处的天线方向图。显然，随着频率的增加，天线增益显著变化，且主瓣在高频段分裂。通过对这一现象的观察，学生加深了天线方向图与频率关系的认知。

2  金属网加载天线方向图重构教学展示

如图4所示，为了实现天线方向图的重构功能，将刻有圆孔的金属网加载在天线端口前段。以金属网中心为旋转中心，图5给出了金属网偏离z轴一定角度α下天线的S11曲线。可见，以一定的偏角来加载金属网会导致天线低频段辐射性能恶化。图6显示了8 GHz下不同α对应的天线方向图。可见，当α=0o时，方向图主瓣被切割成两部分;随着α增大，金属网抑制了天线向右侧辐射的能力;当α较大时（如45o），由于辐射场与反射场的相互叠加，主瓣再次分裂。因此，金属网的偏转不但改变了天线的辐射方向而且控制了波束的数目。基于这一过程，学生能够初步了解如何操纵天线的辐射方向。实际上，当前实现方向图重构的主要技术手段是相控阵天线技术和新兴的全息编码超材料技术[13，14]。安排让学有余力的学生课后查阅有关资料，了解科技前沿，也可鼓励学生加入教师的科研项目，深入学习天线重构技术。

3  结语

本实验教学以渐变型喇叭天线为例，通过加载金属网来实现方向图的可重构。学生通过CST仿真建模能够进一步理解阻抗匹配的概念;加强对天线辐射性能与频率密切相关的认知;初步掌握可重构天线的设计方法。虽然改变金属网的角度能够实现波束数目和指向的变换，但是机械转动金属网波束转换速度慢、波束类型不够丰富，特别是不能够满足军事上实时跟踪和定位的要求。鼓励有兴趣的学生考取电磁场与微波技术方向的研究生，继续天线技术的学习，为国防技术的发展做贡献。

参考文献