理論分析與電磁仿真結(jié)合的微波器件設(shè)計(jì)教學(xué)

邢 蕾, 孔祥鯤, 徐 千

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 211106)

隨著無線通信系統(tǒng)向大容量、多功能、超寬帶的方向發(fā)展,系統(tǒng)對微波器件提出了更高的要求,高校電子信息類專業(yè)普遍開設(shè)微波器件設(shè)計(jì)課程,以幫助學(xué)生將電磁場與微波技術(shù)理論知識融會貫通,并運(yùn)用到工程實(shí)際中[1-2]。在微波器件設(shè)計(jì)中,實(shí)物實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力,但實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴,實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜,一旦損壞設(shè)備會有較大的經(jīng)濟(jì)損失；有些測試還需要專門的測量環(huán)境,如微波暗室、混響室等,在本科教學(xué)中較難安排這類實(shí)驗(yàn)[3]。

本文將理論分析與電磁仿真相結(jié)合的教學(xué)模式引入微波器件設(shè)計(jì)的課堂教學(xué)中,以介質(zhì)諧振天線設(shè)計(jì)為例,用微波基礎(chǔ)理論推導(dǎo)介質(zhì)諧振天線的諧振頻率,利用電磁仿真軟件計(jì)算出天線在TE11模式下的電場分布及輻射方向圖,增強(qiáng)學(xué)生對天線工作特性的理解,為微波器件類課程的教學(xué)改革提供一定的參考。

1 理論分析和電磁仿真相結(jié)合的教學(xué)模式

微波器件的設(shè)計(jì)分為微波器件的相關(guān)理論計(jì)算與仿真、器件的加工和制作、性能測試、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與仿真結(jié)果的對比等4部分[4]。其中理論計(jì)算與仿真是基礎(chǔ)和關(guān)鍵內(nèi)容,它決定其他教學(xué)內(nèi)容能否順利進(jìn)行。在商業(yè)電磁仿真軟件投入使用之前,微波器件的研發(fā)周期比較長,要求設(shè)計(jì)者具有一定計(jì)算電磁知識基礎(chǔ),一些非規(guī)則和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的器件較難仿真。隨著計(jì)算電磁學(xué)的發(fā)展,商業(yè)電磁仿真軟件的功能日趨豐富,能夠解決大部分電磁仿真問題。但電磁仿真軟件是把“雙刃劍”,學(xué)生能夠較快地熟悉和運(yùn)用仿真軟件,但也會過于依賴仿真軟件而忽略基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí),不能對仿真結(jié)果進(jìn)行合理的解釋和分析,面對較為復(fù)雜的工程問題時(shí)往往無從下手。

因此,我們在器件設(shè)計(jì)類課程中引入理論分析和電磁仿真相結(jié)合的授課模式。在講授某類器件時(shí),將理論推導(dǎo)與電磁仿真結(jié)合起來,全面講解器件特性,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考。教學(xué)過程強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、關(guān)注物理內(nèi)涵,使學(xué)生在做仿真實(shí)驗(yàn)之前心中有數(shù)。

本文以介質(zhì)諧振天線為例,采用電磁仿真工具CST(Computer Simulation Technology)進(jìn)行仿真,展示理論分析與電磁仿真相結(jié)合的教學(xué)模式構(gòu)建。

CST是全球知名的電磁場仿真軟件公司,其工作室套裝是面向3D電磁、電路、溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)工程師的一款全面、精確的專業(yè)仿真軟件包[5]。整個(gè)套裝將8個(gè)稱為工作室的子軟件集成在同一用戶界面內(nèi),可為用戶提供完整的系統(tǒng)級和部件級的數(shù)值仿真分析。在微波器件設(shè)計(jì)中,主要使用CST微波工作室(CST Microwave Studio)進(jìn)行高頻無源器件及系統(tǒng)級電磁兼容仿真,應(yīng)用包括天線/RCS、濾波器、EMI/EMS等[5-6]。

2 基于介質(zhì)諧振天線設(shè)計(jì)的教學(xué)案例分析

2.1 矩形介質(zhì)諧振天線諧振頻率推導(dǎo)

介質(zhì)諧振天線(dielectric resonator antenna,DRA)是一類用介質(zhì)諧振器作為輻射單元的電小尺寸天線,具有設(shè)計(jì)自由度高、尺寸小、耦合方法簡單、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)[7-10]。介質(zhì)諧振天線的諧振頻率由尺寸、形狀和材料的介電參數(shù)決定。相比金屬天線,介質(zhì)諧振天線的導(dǎo)體損耗可以忽略,介質(zhì)損耗也較低,因此被廣泛運(yùn)用于毫米波波段[7]。

介質(zhì)諧振天線的理論分析方法主要有簡化模型分析法和全波分析法。簡化模型分析發(fā)主要是通過設(shè)定一個(gè)或多個(gè)有效而合理的近似來簡化問題[11],本文運(yùn)用該方法對矩形介質(zhì)諧振天線進(jìn)行分析,其中主要涉及磁壁模型(magnetic wall model,MWM),介質(zhì)波導(dǎo)模型(dielectric waveguide model, DWM)以及鏡像原理[12]。

(1)

(2)

(3)

Ex=kycos (kxx)sin(kyy)cos(kzz)

(4)

Ey=-kxsin(kxx)cos(kyy)cos(kzz)

(5)

Ez=0

(6)

其中,

(7)

(8)

(9)

(10)

圖1 矩形介質(zhì)諧振天線模型

2.2 介質(zhì)諧振天線的電磁仿真

采用CST對天線進(jìn)行全波仿真,以驗(yàn)證理論推導(dǎo)結(jié)果。天線仿真模型及尺寸如圖2所示,天線采用同軸探針饋電。

圖2 介質(zhì)諧振天線CST仿真模型

經(jīng)過CST微波工作室的優(yōu)化與仿真,可得介質(zhì)諧振天線的反射系數(shù),如圖3所示。從仿真曲線可以看出,天線在0.3～0.317 GHz具有良好的匹配,諧振頻率約為0.308 GHz,與理論計(jì)算較為吻合,驗(yàn)證了基于簡化模型的理論推導(dǎo)。

圖3 介質(zhì)諧振天線反射系數(shù)仿真曲線

由圖4電場分布圖可清晰地看到0.308 GHz介質(zhì)諧振天線內(nèi)部電力線的分布特征。

圖4 介質(zhì)諧振天線在0.308 GHz電場分布圖

圖5給出了天線在0.308 GHz的3D方向圖,可以看出天線的主要輻射方向沿y軸,具有良好的方向性。

圖5 介質(zhì)諧振天線在0.308 GHz的3D方向圖

圖6給出了天線在工作頻帶內(nèi)的最大增益曲線,在工作頻帶內(nèi),天線最大增益均大于5.5 dB。

圖6 介質(zhì)諧振天線在工作頻帶內(nèi)的最大增益曲線

本節(jié)通過理論計(jì)算與電磁仿真相結(jié)合的教學(xué)模式,從基本理論出發(fā),借助電磁仿真軟件,對介質(zhì)諧振天線進(jìn)行了全面分析。該教學(xué)案例有助于學(xué)生理解介質(zhì)諧振天線的工作原理、邊界條件以及工作特性。同時(shí),也有利于學(xué)生熟悉電磁仿真流程,提高探索復(fù)雜工程問題的能力。

3 結(jié)語

本文提出了理論分析和電磁仿真相結(jié)合的教學(xué)模式。具體的實(shí)施步驟包括：(1)篩選典型器件設(shè)計(jì)工程問題,形成教學(xué)案例；(2)利用理論方法分析器件參數(shù),使學(xué)生對器件的物理模型有一定了解；(3)借助電磁仿真軟件對器件建模仿真,讓學(xué)生形象地理解和掌握器件工作特性,與理論分析結(jié)果進(jìn)行比對,驗(yàn)證理論推導(dǎo)結(jié)果。這種教學(xué)模式有助于培養(yǎng)學(xué)生成為既有微波技術(shù)知識,又熟悉電磁仿真軟件的復(fù)合型人才。探索該類課程的教學(xué)模式,將該類課程以更好的方式呈現(xiàn),對器件設(shè)計(jì)類課程教改有一定的實(shí)際意義。