刘北佳， 林 澍， 李鸿志， 刘金龙， 邱景辉

（哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，哈尔滨150001）

0 引 言

创新实验课程是培养学生创新意识的重要载体，如何设计基于创新教育与专业教育融合的创新实验至关重要［1-6］。高校的科研条件与成果是创新实验的宝贵资源，结合专业前沿开设创新实验，能够让学生在创新实验中巩固、运用专业理论知识，同时提高科研创新能力，为拔尖创新人才培养提供平台资源，探索专创融合的实施路径［7-13］。

1 实验技术背景

可重构天线是当前无线通信领域的一项关键技术，涉及微电子、射频等不同学科领域的技术与天线相融合。可重构天线通常采用射频开关、变容二极管、光控器件、机械可调动力装置等控制方式来改变天线的结构和电磁特性，或者采用液晶等电特性可变化的材料，实现满足系统需求的、集多个性能的天线于一体的多功能天线，具有小型化、低功耗和电磁兼容性能良好等优点［14-15］。以可重构天线为背景开展创新实验使学生掌握工程设计天线的专业技能和了解科研全流程，有助于学生工程、应用、创新能力的培养，同时具有重要学术研究价值，也正是产业发展对于专业技术人才的需求。

2 实验内容与目标

创新实验以一个可重构天线的理论-设计-仿真-实验的科研全流程为内容，与国际工程教育理念相契合。让学生以实践的方式自主学习，完成软件设计和硬件测试方案综合设计实验，使学生在基础知识综合运用、专业技能积累、创新思维方法等方面达到训练。以一个具体需求的天线设计为目标，学习相关的理论知识，查找研读中英文参考文献，熟练使用专业设计软件，探索天线技术方案，建模仿真优化，转换版图，外协加工，测试综合方案制定实施，总结、分析、归纳，撰写规范实验报告。此外，对具有创新应用价值的成果申报发明专利或撰写学术论文。

3 实验教学设计

3.1 可重构天线设计

教师依托对行业技术动态和技术发展趋势的洞察和跟踪设定每一期创新实验设计的主题。以方向图可重构介质谐振天线为例来说明创新实验教学所涉及的关键环节。学生运用天线理论基础知识和查阅相关文献，选择具体的天线形式和拟采用的技术路线。通过教师推送的学习资源，学生利用课下熟练掌握电磁仿真软件的基本操作，理解每一步操作的内涵，完成基本天线的建模仿真设计流程，使学生具备运用专业软件进行天线工程设计的能力。图1 为基于寄生单元4 波束可切换的介质谐振天线结构图，由开关二极管控制，其中：d ＝60，r ＝25，h ＝4.25，w ＝1.6，l ＝11，g ＝2，单位为mm［16］。

采用电磁仿真软件可以将依据理论知识和参考文献进行设计的思路进行验证，以便形成最终的设计。图2 是方向图可重构介质谐振天线的演进过程和对应的阻抗变化曲线，以阐明设计思路。

图1 天线结构图

图2 天线进化图和三个天线反射系数随频率变化曲线

Antenna I为等高中心探针激励的圆柱形介质谐振天线，工作在TM02δ模，水平面全向辐射。Antenna II引入一寄生单元与中心探针相连形成的L 型探针激励的圆柱形介质谐振天线。Antenna III带有4 个寄生单元，且只有沿＋x 方向放置的二极管开关处于导通状态。图3 是Antenna I 和Antenna III 在开关依次导通时对应的天线在4 个工作状态下谐振点处电场分布图如图。开关导通驱动寄生单元构成L 形探针，使探针与介质谐振器的耦合增强，引导电场沿被驱动的寄生单元方向集中。所设计的方向图可重构介质谐振天线即Antenna III分别驱动指向＋y、＋x、-y、-x 的寄生单元对应的三维辐射方向图如图4 所示，且最大辐射方向均在θ ＝50°的平面内，各状态均具有良好一致的定向辐射特性，增益高达9.74 dB。

3.2 仿真优化

依托电磁仿真软件对天线结构的关键参数进行扫描是优化天线设计的必要而耗时的环节。通常在理论初值附近以一定步长进行单个参数或多个参数的目标性能曲线优化，权衡阻抗、增益、方向图等多方面性能分析最终确定参数值。以对引入寄生单元的长度进行优化为例，分析驱动寄生单元长度l 对方向图可重构介质谐振天线反射系数和最大辐射方向所在平面内辐射方向图性能的影响。如图5 所示，可以看出l 的变化对于谐振频率和辐射方向图的影响均较大。这是因为谐振器与探针耦合强度随l 不同发生变化，使谐振器中被激励的模式发生改变，阻抗特性变化较大，同时被驱动的寄生单元引导电磁能量沿其指向汇聚的强弱不同使天线的定向辐射性能变化。基于上述分析可知，最优性能对应寄生单元长度为11 mm。

图3 电场分布俯视图

图4 4种模式天线三维辐射方向图

3.3 加工测试

为使学生掌握工程实际中加工测试天线所需掌握的技能和方法，实验中设置加工测试环节。可重构天线的加工测试环节是复杂的工程问题，不但要掌握绘制版图、外协加工和天线测试方法，还需考虑控制电路、测试中交直流的隔离与保护以及真实开关与仿真采用理想通断的差别等，学生需要在教师的指导下进行完备的测试方案方可实施。

（1）控制网络的实现。控制网络的实现包括二极管及其直流偏置电路。用于控制的二极管主要采用PIN开关二极管和变容二极管，需设计直流偏置电路对其进行供电。设计电路时要兼顾直流源与交流源的隔离、二极管的极性和电压需求和尽可能减小对天线性能测试的不利影响。图6 为一保护电路的仿真和实物模型，用于测试过程中保证来自矢量网络分析仪和直流电源的信号隔离，避免仪器损坏和影响测试结果。

图5 不同寄生单元长度下天线性能

图6 保护电路

（2）对比测试实验的设置。通常要在设定的目标测试范围内进行测试，并将测试结果与仿真结果进行对比分析。可重构天线可增加理想导通和选用真实二极管进行对比实验，验证设计所能发挥的性能极限以及二极管性能对可重构天线性能发挥的影响，以指导实际应用天线的选型因素。图7 所示为用矢量网络分析仪测试理想导通天线的阻抗带宽和在10 m×6 m×6 m的微波暗室中用直流电源驱开关二极管测量天线辐射方向图。

图7 天线测试仪器和环境

3.4 总结报告

实验报告以学术论文的形式呈现，中英文均可，具体包括题目、摘要、关键词、引言、天线设计、结果分析、结论和参考文献。学生在撰写实验报告的过程中，培养了查找阅读中英文资料跟踪技术发展趋势的能力，训练严谨的学术论文撰写技能，掌握创新成果发表应具备的要素。教师对实验报告进行评阅，要说明存在的问题，指出进一步研究的方向，并发掘有创新价值的天线设计，指导其申报发明专利和发表学术论文。对有意愿致力于相关方向研究的同学为其提供参与科研项目的机会，使学生蓄积适应未来发展需要的能量。

4 结 语

创新人才的培养是高校面临的挑战性问题，同时也是高校开展教育教学改革的重点。本文结合前沿科研成果，把学术研究、工程应用和创新方法的培养融入实验教学，进行可重构天线的电磁仿真与加工设计全流程解析的实验设计。通过实验教学，使学生了解科研的过程、掌握专业本领和激发创新的潜能，助力高校电子信息类创新人才培养。