宋立眾，王 淼，聶玉明，房 亮，張 敏

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 210096；3.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100081）

微波技術(shù)與天線課程是高等學(xué)校中電磁場與無線技術(shù)、電波傳播與天線、通信工程以及電子信息工程等專業(yè)的重要技術(shù)課程，越來越受到重視［1－3］。由于微波技術(shù)與天線是一門實踐性和工程性較強的課程，實驗教學(xué)在課程教學(xué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的微波技術(shù)與天線實驗是在微波技術(shù)實驗室或者微波暗室中進行的，包含微波測量線系統(tǒng)和天線測試系統(tǒng)等，實驗設(shè)備昂貴，測試系統(tǒng)十分復(fù)雜，學(xué)生在實驗過程中感覺難度很大。隨著計算技術(shù)的進步，全波電磁仿真已成為主流的微波電路與天線設(shè)計方法，因此，在高等學(xué)校微波技術(shù)與天線課程中引入全波電磁仿真技術(shù)具有重要的意義［4－6］。

超寬帶通信和雷達技術(shù)可實現(xiàn)高分辨率和強抗干擾能力，因而獲得廣泛應(yīng)用。超寬帶天線是超寬帶電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，平面型螺旋天線是常用的超寬帶天線形式［7－9］。本文提出將全波電磁仿真軟件CST引入天線設(shè)計性實驗環(huán)節(jié)，并以超寬帶天線科研項目為背景，開展縫隙結(jié)構(gòu)等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線的設(shè)計性仿真實驗，說明在實驗教學(xué)中引入電磁仿真的可行性和有效性，為電磁仿真技術(shù)在微波技術(shù)與天線的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 基于電磁仿真軟件CST的微波技術(shù)與天線實驗教學(xué)模式分析

微波技術(shù)與天線課程涵蓋了微波無源電路和天線技術(shù)的內(nèi)容，既有與電磁場相關(guān)的知識，也有電路方面的內(nèi)容，需要學(xué)生具有扎實的數(shù)學(xué)知識和較強的實踐動手能力。傳統(tǒng)的微波無源電路實驗采用波導(dǎo)測量線系統(tǒng)，進行導(dǎo)行電磁波的觀測、信號參數(shù)的測量以及微波器件的參數(shù)測量等實驗。在微波暗室內(nèi)進行的傳統(tǒng)天線實驗，主要測試天線的輸入駐波比、端口隔離度、增益、方向圖和極化等參數(shù)。這些實驗的特點是學(xué)生可以直接使用微波設(shè)備，可以獲得很好的感性認識。

但是，近年來微波技術(shù)與天線的設(shè)計技術(shù)發(fā)生了巨大的變化，全波電磁仿真已成為主流的設(shè)計方法。因此，在高校微波技術(shù)與天線的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中引入全波電磁仿真技術(shù)，是對硬件實驗的有益補充，是一種有效的實驗教學(xué)模式。

在該教學(xué)模式中，將實驗分成兩部分，一部分是傳統(tǒng)的微波技術(shù)與天線的硬件電路實驗，另一部分是以科研項目為背景的軟件設(shè)計和仿真實驗，使學(xué)生掌握基于全波電磁軟件的微波電路和天線的設(shè)計方法。

CST軟件是德國CST公司開發(fā)的高級無源微波器件及天線仿真軟件包，特別適合于快速、有效地設(shè)計和分析天線、濾波器、耦合器、印刷電路板等。該軟件采用有限積分法，對時域信號采用離散傅里葉變換，能夠一次計算得到整個寬頻帶范圍內(nèi)的散射參量。用該軟件進行實體建模的特點是結(jié)構(gòu)建模器的全參量化，添加約束條件后，可以進行優(yōu)化設(shè)計和仿真。該軟件采用多級子網(wǎng)技術(shù)，能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)剖分效率及精度，其仿真結(jié)果接近于實際情況。

CST軟件具有豐富的仿真結(jié)果顯示功能，能動態(tài)顯示場量，后處理功能強大，能夠?qū)?D和3D場量等進行靈活的處理。CST軟件提供開放的接口，允許一些通用軟件相互調(diào)用，以CST軟件為基礎(chǔ)可以進行各種專用仿真模塊和仿真平臺的開發(fā)［10－12］。因此，CST軟件是一種十分適合于工程設(shè)計和實驗教學(xué)的全波電磁仿真軟件。

2 超寬帶縫隙等角螺旋天線的仿真實驗

平面等角螺旋天線［13－14］是20世紀50年代中期出現(xiàn)的一類頻率無關(guān)天線。等角螺旋天線的曲線形狀由以下極坐標系方程描述

式中，φ0為螺旋的初始角，r0是曲線上點在φ＝φ0處到原點的距離，a是一個與φ無關(guān)的常數(shù)，決定了螺旋的松緊的程度。

在等角螺旋天線中，2個臂的4條邊緣具有相同的a。若一個臂的一條邊緣線為r1＝r0eaφ，則只要將該邊緣旋轉(zhuǎn)δ角，就可得該臂的另一邊緣線r2＝r0ea（φ－δ）；另一個臂相當于該臂旋轉(zhuǎn)180°而構(gòu)成，即r3＝r0ea（φ－π）和r4＝r0ea（φ－π－δ）。由于平面等角螺旋天線臂的邊緣僅由角度描述，因而滿足頻率無關(guān)天線對形狀的要求。

平面等角螺旋天線存在一個有限的工作區(qū)，天線輻射的強弱主要取決于工作區(qū)電流的大小，工作區(qū)的位置與工作的頻率有關(guān)。在工作區(qū)內(nèi)，電流沿著線圈很快地衰減，可以用有限尺寸的等角螺旋天線在相應(yīng)的寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)近似的非頻變特性。本文設(shè)計的縫隙結(jié)構(gòu)等角螺旋天線，是在微帶電路板的金屬表面刻蝕等角螺旋形狀的縫隙構(gòu)成的。文中選擇的介質(zhì)板厚度為0.508mm，高頻饋電區(qū)的直徑為30mm，采用同軸電纜在中心區(qū)域?qū)p隙直接饋電，同軸線的特性阻抗設(shè)計為50Ω。該饋電結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。在CST中建立的幾何模型如圖1所示，其中的白色部分為等角螺旋結(jié)構(gòu)的縫隙，灰色部分為金屬導(dǎo)體。圖中坐標系的z軸方向為天線口面的法線方向。

圖1 縫隙等角螺旋天線在CST中的幾何模型

對該天線幾何模型進行參量化建模，基于時域求解器，采用參數(shù)掃描的方法，獲得了滿足要求的設(shè)計參數(shù)。該天線的 VSWR（voltage standing wave ratio，電壓駐波比）仿真結(jié)果如圖2所示，在0.4～1GHz的范圍，VSWR小于2，實現(xiàn)了預(yù)期的阻抗帶寬。在1GHz頻點上，該天線的三維增益方向圖如圖3所示。為了更方便地說明天線的波束性能，圖4給出了該天線在1GHz頻點上xoz面和yoz面的增益方向圖和軸比方向圖。可以看出，在該頻點上，所設(shè)計天線在E面和H 面的波束寬度分別約為89°和97.8°，具有較寬的波束覆蓋范圍，其軸比在軸向附近也較小。

圖2 縫隙等角螺旋天線VSWR仿真結(jié)果

圖3 縫隙等角螺旋天線三維方向圖仿真結(jié)果

圖4 縫隙等角螺旋天線二維方向圖仿真結(jié)果

選取3個頻點，進行其輻射方向圖的仿真計算，可以獲得該天線的寬頻帶輻射性能（見表1）?？梢钥闯?，在頻率為1GHz和2GHz時的軸比較好，由于天線口面直徑的限制，在低頻段的軸比較大。

表1 縫隙等角螺旋天線輻射性能仿真計算結(jié)果

3 超寬帶縫隙阿基米德螺旋天線的仿真實驗

阿基米德螺旋天線與其他螺旋天線一樣，很容易采用印刷電路技術(shù)制造。天線的兩個螺旋臂方程分別是：

式中，φ0為初始方位角，r0為螺旋初始徑向距離，a為決定螺距增長快慢的常數(shù)。

與平面等角螺旋不同的是，阿基米德螺旋隨方位角按線性比例關(guān)系增加，而等角螺旋天線是指數(shù)關(guān)系，因此阿基米德螺旋的螺距增長比等角螺旋慢。阿基米德螺旋天線主要輻射是集中在周長約等于λ的螺旋環(huán)帶上，稱之為有效輻射帶。隨著頻率的變化，有效輻射帶也隨之變化，故阿基米德螺旋天線具有寬頻帶特性。如果常數(shù)a選取得小，則螺旋曲率小，在天線外半徑相同條件下，所對應(yīng)的螺旋臂的電長度增加，其優(yōu)點在于天線的終端效應(yīng)得到更好的抑制；但是如果a選取得過小，會導(dǎo)致螺旋臂的圈數(shù)增加，從而損耗也相應(yīng)增大。

阿基米德螺旋天線具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效率高以及可以嵌裝等優(yōu)點，故目前其應(yīng)用愈來愈廣泛。本文同樣設(shè)計一種縫隙結(jié)構(gòu)的阿基米德螺旋天線，采用同軸線在中心區(qū)域直接饋電，避免傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線復(fù)雜的巴倫饋電結(jié)構(gòu)。饋電區(qū)域的直徑也選擇30mm，縫隙的寬度選擇1mm，介質(zhì)基板的厚度也是0.508mm。縫隙結(jié)構(gòu)的阿基米德螺旋天線在CST軟件中的幾何結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

經(jīng)過和縫隙等角螺旋天線類似的仿真設(shè)計，最終確定了縫隙阿基米德螺旋天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，相應(yīng)的仿真結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，該天線在0.4～2GHz頻率范圍內(nèi)的平均電壓駐波比為1.5，優(yōu)于縫隙等角螺旋天線，實現(xiàn)了更好的寬帶阻抗匹配性能。

針對1GHz頻點，該天線的三維增益方向圖如圖7所示，在xoz面和yoz面的增益和軸比方向圖如圖8所示?？梢钥闯觯撎炀€在2個面的波束寬度分別為76.5°和58.8°，比縫隙等角螺旋天線略窄。

圖5 縫隙阿基米德螺旋天線在CST中的幾何模型

圖6 隙縫阿基米德螺旋天線VSWR仿真結(jié)果

圖7 縫隙阿基米德螺旋天線三維方向圖仿真結(jié)果

類似縫隙等角螺旋天線，選取同樣的個頻點，進行其輻射方向圖的仿真計算，獲得該天線的寬頻帶輻射性能（見表2）?？梢钥闯觯撎炀€在頻率為0.4GHz的軸比為2.05，優(yōu)于縫隙等角螺旋天線。從輻射方向圖和極化特性來看，該天線比縫隙結(jié)構(gòu)的等角螺旋天線具有更寬的頻帶。

圖8 縫隙阿基米德螺旋天線二維方向圖仿真結(jié)果

表2 縫隙阿基米德螺旋天線輻射性能仿真計算結(jié)果

4 結(jié)束語

微波技術(shù)與天線課程具有很強的實踐性和工程性，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)在微波技術(shù)與天線課程的教學(xué)中占有重要地位。在微波技術(shù)與天線實驗教學(xué)中引入全波電磁仿真實驗教學(xué)，可以展示采用電磁仿真軟件設(shè)計天線的過程，豐富教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生學(xué)習(xí)到現(xiàn)代流行的微波設(shè)計技術(shù)，有利于學(xué)生加強對基本概念的理解，提高學(xué)習(xí)興趣，顯著提高教學(xué)效果，在實驗教學(xué)中具有重要的意義。本文設(shè)計的縫隙結(jié)構(gòu)的超寬帶螺旋天線饋電結(jié)構(gòu)簡單，也適合于實際工程實現(xiàn)與應(yīng)用。

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