邢 蕾, 孔祥鲲, 徐 千

(南京航空航天大学 电子信息工程学院 雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室, 江苏 南京 211106)

随着无线通信系统向大容量、多功能、超宽带的方向发展,系统对微波器件提出了更高的要求,高校电子信息类专业普遍开设微波器件设计课程,以帮助学生将电磁场与微波技术理论知识融会贯通,并运用到工程实际中[1-2]。在微波器件设计中,实物实验有助于培养学生的动手实践能力,但实验设备昂贵,实验操作复杂,一旦损坏设备会有较大的经济损失；有些测试还需要专门的测量环境,如微波暗室、混响室等,在本科教学中较难安排这类实验[3]。

本文将理论分析与电磁仿真相结合的教学模式引入微波器件设计的课堂教学中,以介质谐振天线设计为例,用微波基础理论推导介质谐振天线的谐振频率,利用电磁仿真软件计算出天线在TE11模式下的电场分布及辐射方向图,增强学生对天线工作特性的理解,为微波器件类课程的教学改革提供一定的参考。

1 理论分析和电磁仿真相结合的教学模式

微波器件的设计分为微波器件的相关理论计算与仿真、器件的加工和制作、性能测试、实验验证与仿真结果的对比等4部分[4]。其中理论计算与仿真是基础和关键内容,它决定其他教学内容能否顺利进行。在商业电磁仿真软件投入使用之前,微波器件的研发周期比较长,要求设计者具有一定计算电磁知识基础,一些非规则和结构复杂的器件较难仿真。随着计算电磁学的发展,商业电磁仿真软件的功能日趋丰富,能够解决大部分电磁仿真问题。但电磁仿真软件是把“双刃剑”,学生能够较快地熟悉和运用仿真软件,但也会过于依赖仿真软件而忽略基础理论的学习,不能对仿真结果进行合理的解释和分析,面对较为复杂的工程问题时往往无从下手。

因此,我们在器件设计类课程中引入理论分析和电磁仿真相结合的授课模式。在讲授某类器件时,将理论推导与电磁仿真结合起来,全面讲解器件特性,引导学生主动思考。教学过程强调基础、关注物理内涵,使学生在做仿真实验之前心中有数。

本文以介质谐振天线为例,采用电磁仿真工具CST(Computer Simulation Technology)进行仿真,展示理论分析与电磁仿真相结合的教学模式构建。

CST是全球知名的电磁场仿真软件公司,其工作室套装是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确的专业仿真软件包[5]。整个套装将8个称为工作室的子软件集成在同一用户界面内,可为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析。在微波器件设计中,主要使用CST微波工作室(CST Microwave Studio)进行高频无源器件及系统级电磁兼容仿真,应用包括天线/RCS、滤波器、EMI/EMS等[5-6]。

2 基于介质谐振天线设计的教学案例分析

2.1 矩形介质谐振天线谐振频率推导

介质谐振天线(dielectric resonator antenna,DRA)是一类用介质谐振器作为辐射单元的电小尺寸天线,具有设计自由度高、尺寸小、耦合方法简单、频带宽等优点[7-10]。介质谐振天线的谐振频率由尺寸、形状和材料的介电参数决定。相比金属天线,介质谐振天线的导体损耗可以忽略,介质损耗也较低,因此被广泛运用于毫米波波段[7]。

介质谐振天线的理论分析方法主要有简化模型分析法和全波分析法。简化模型分析发主要是通过设定一个或多个有效而合理的近似来简化问题[11],本文运用该方法对矩形介质谐振天线进行分析,其中主要涉及磁壁模型(magnetic wall model,MWM),介质波导模型(dielectric waveguide model, DWM)以及镜像原理[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)

图1 矩形介质谐振天线模型

2.2 介质谐振天线的电磁仿真

采用CST对天线进行全波仿真,以验证理论推导结果。天线仿真模型及尺寸如图2所示,天线采用同轴探针馈电。

图2 介质谐振天线CST仿真模型

经过CST微波工作室的优化与仿真,可得介质谐振天线的反射系数,如图3所示。从仿真曲线可以看出,天线在0.3～0.317 GHz具有良好的匹配,谐振频率约为0.308 GHz,与理论计算较为吻合,验证了基于简化模型的理论推导。

图3 介质谐振天线反射系数仿真曲线

由图4电场分布图可清晰地看到0.308 GHz介质谐振天线内部电力线的分布特征。

图4 介质谐振天线在0.308 GHz电场分布图

图5给出了天线在0.308 GHz的3D方向图,可以看出天线的主要辐射方向沿y轴,具有良好的方向性。

图5 介质谐振天线在0.308 GHz的3D方向图

图6给出了天线在工作频带内的最大增益曲线,在工作频带内,天线最大增益均大于5.5 dB。

图6 介质谐振天线在工作频带内的最大增益曲线

本节通过理论计算与电磁仿真相结合的教学模式,从基本理论出发,借助电磁仿真软件,对介质谐振天线进行了全面分析。该教学案例有助于学生理解介质谐振天线的工作原理、边界条件以及工作特性。同时,也有利于学生熟悉电磁仿真流程,提高探索复杂工程问题的能力。

3 结语

本文提出了理论分析和电磁仿真相结合的教学模式。具体的实施步骤包括：(1)筛选典型器件设计工程问题,形成教学案例；(2)利用理论方法分析器件参数,使学生对器件的物理模型有一定了解；(3)借助电磁仿真软件对器件建模仿真,让学生形象地理解和掌握器件工作特性,与理论分析结果进行比对,验证理论推导结果。这种教学模式有助于培养学生成为既有微波技术知识,又熟悉电磁仿真软件的复合型人才。探索该类课程的教学模式,将该类课程以更好的方式呈现,对器件设计类课程教改有一定的实际意义。