宛 汀，孟慶民，王全全，王 珺

(1.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003；2.東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引言

無(wú)線通信技術(shù)徹底改變了人類(lèi)的生活，如手機(jī)、藍(lán)牙、便攜計(jì)算機(jī)、無(wú)人駕駛、衛(wèi)星電視等，都離不開(kāi)無(wú)線通信。高校針對(duì)電子信息類(lèi)專業(yè)開(kāi)設(shè)無(wú)線通信專業(yè)課程，以適應(yīng)信息化時(shí)代培養(yǎng)專業(yè)人才的要求。區(qū)別于有線通信，無(wú)線通信中信號(hào)的載體是電磁波，更確切地說(shuō)，是射頻無(wú)線電波。因此，掌握射頻無(wú)線電波的特性是學(xué)習(xí)無(wú)線通信的重要基礎(chǔ)[1,2]。

在無(wú)線通信專業(yè)課程教學(xué)中，關(guān)于無(wú)線電波傳播的內(nèi)容是教學(xué)重點(diǎn)之一，它是后續(xù)信道估計(jì)和均衡分集等內(nèi)容的基礎(chǔ)，并涉及多天線和智能反射面等無(wú)線通信新技術(shù)內(nèi)容。

1 教學(xué)中引入射頻EDA仿真軟件的必要性

在無(wú)線通信電波傳播教學(xué)中面臨如下挑戰(zhàn)。第一，理論性強(qiáng)、概念抽象，導(dǎo)致理論教學(xué)缺乏實(shí)感。在講授無(wú)線通信天線的輻射、遠(yuǎn)場(chǎng)和增益等參數(shù)時(shí)，概念性強(qiáng)，學(xué)生難以理解信號(hào)的收發(fā)機(jī)理；在講授無(wú)線電波的反射、繞射、散射傳播機(jī)制時(shí)，由于無(wú)線電波看不見(jiàn)、摸不著，對(duì)學(xué)生抽象性思維要求很高。第二，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有顯著必要性但卻難以開(kāi)展。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)闡釋抽象的理論，提升學(xué)生的興趣，加深學(xué)生的理解。然而，電磁類(lèi)實(shí)驗(yàn)不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備要求高，而且需要操作者具備專業(yè)技能，難以在教學(xué)中開(kāi)展。通過(guò)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能夠較好地解決上述問(wèn)題[3]。仿真軟件不僅為學(xué)生提供直觀清晰的實(shí)例體驗(yàn)，而且有利于學(xué)生將專業(yè)理論融入工程實(shí)踐中。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類(lèi)射頻電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic design automation,EDA）軟件層出不窮，如HFSS、CST、FEKO、ADS、Maxwell 等，為射頻通信領(lǐng)域的科研和教學(xué)提供了極大幫助[4-6]。這類(lèi)軟件基于不同的數(shù)值方法內(nèi)核，但都具備如下特點(diǎn)：第一，利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真，避免了對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、設(shè)備、周期和操作者的嚴(yán)苛要求；第二，軟件操作界面簡(jiǎn)潔直觀，數(shù)據(jù)展示生動(dòng)形象，仿真結(jié)果貼合理論結(jié)果。通過(guò)射頻EDA 仿真軟件，能夠讓無(wú)線電波的傳播特點(diǎn)以圖形甚至動(dòng)畫(huà)的方式呈現(xiàn)，讓學(xué)生直觀地感知無(wú)線電波的傳播機(jī)理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，簡(jiǎn)化理論知識(shí)的理解。

2 射頻EDA仿真軟件平臺(tái)

2.1 HFSS軟件

HFSS 是由美國(guó)ANSYS 公司開(kāi)發(fā)的一款用于三維全波電磁仿真的軟件。HFSS 具備強(qiáng)大的功能和友好的用戶界面，適用于射頻與微波器件、天線等的電磁特性的仿真與設(shè)計(jì)。在無(wú)線通信中天線的教學(xué)中，HFSS 能夠方便地對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景中的無(wú)線通信天線進(jìn)行建模與仿真，提取出天線的S參數(shù)、增益、駐波比、輻射方向圖等參數(shù)，并以曲線和三維圖等形式直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，有助于讓學(xué)生觀察和了解天線收發(fā)無(wú)線信號(hào)的機(jī)理。

2.2 FEKO軟件

FEKO 是德國(guó)Altair 公司開(kāi)發(fā)的三維全波電磁仿真軟件，適用于電波傳播、射頻電路、電磁兼容等領(lǐng)域，能輸出近遠(yuǎn)場(chǎng)、散射截面、表面電流等，并支持切面圖和三維圖等豐富的結(jié)果顯示。FEKO 比HFSS 更適合于電大尺寸復(fù)雜場(chǎng)景的電磁分析。在無(wú)線電波傳播的教學(xué)中，F(xiàn)EKO 能夠直觀地看到近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)、表面電流分布等，充分了解無(wú)線電波與障礙物的相互作用機(jī)理、產(chǎn)生的現(xiàn)象等，有助于學(xué)生更加深入地了解無(wú)線電波傳播機(jī)制。

3 教學(xué)案例一：基于HFSS 的無(wú)線通信天線仿真分析

天線是無(wú)線通信的重要前端部件，承擔(dān)著發(fā)送和接收無(wú)線信號(hào)的重要任務(wù)。通過(guò)引入HFSS 軟件，能建立實(shí)際中天線的三維立體模型，并以彩圖給出輻射遠(yuǎn)場(chǎng)分布，有助于學(xué)生感知天線電波輻射的特性。

3.1 微帶貼片天線模型

微帶貼片天線由一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的介質(zhì)基片，一面敷以金屬輻射片，另一面全部敷以金屬薄層作接地板構(gòu)成，具有質(zhì)量輕、體積小和易加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于短距離無(wú)線通信系統(tǒng)，如：IEEE 802.11a/b/g、藍(lán)牙等，以及3G、4G和5G等移動(dòng)通信系統(tǒng)。

圖1為微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖。它通過(guò)微帶線饋電，使導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁波，并經(jīng)由貼片與四周接地板之間的縫隙向外輻射電磁波。其中，介質(zhì)基板寬74.52mm，長(zhǎng)74.45mm，高1.6mm，材料采用介電常數(shù)εr=4.4 的FR4 板；輻射貼片寬37.26mm，長(zhǎng)28mm；阻抗轉(zhuǎn)換器寬1mm，長(zhǎng)17.45mm；50ohm微帶線寬2.98mm，長(zhǎng)15mm。

圖1 微帶貼片天線結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 微帶貼片天線輻射的HFSS仿真結(jié)果與分析

采用HFSS 軟件對(duì)天線輻射特性進(jìn)行仿真。圖2給出了仿真微帶貼片天線的回波損耗曲線，即：S11曲線。根據(jù)回波損耗曲線，確定天線正常工作并實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)墓ぷ鲙?，一般指S11取值小于-10dB的帶寬范圍。由圖2可知，天線的工作帶寬為2.428-2.488GHz，相對(duì)帶寬為2.4%，中心頻率為2.45GHz。圖3 為該天線的電壓駐波比曲線，它描述了射頻天線系統(tǒng)的阻抗匹配程度。從圖3 可以看到，天線的駐波比在帶寬范圍內(nèi)均小于2dB，滿足天線正常工作的要求。

圖2 微帶貼片天線的回波損耗

圖3 微帶貼片天線的電壓駐波比

圖4 給出了在中心頻率2.45GHz 處微帶貼片天線的三維輻射方向圖。從圖中可以觀察到，電波輻射的能量主要集中在z 軸正方向附近，最大增益約為2.16dB。通過(guò)上述二維的圖線和三維的方向圖，清晰地展示了天線工作時(shí)無(wú)線電波的傳播情況，增加了學(xué)生的直觀體驗(yàn)和對(duì)于天線工作機(jī)制的理解。

圖4 微帶貼片天線的三維輻射方向圖

4 教學(xué)案例二：基于FEKO 的無(wú)線電波散射特性仿真分析

無(wú)線電波傳播機(jī)制教學(xué)中涉及多徑反射模型、散射截面模型等抽象概念，學(xué)生不易理解。通過(guò)引入FEKO 軟件，能夠建立電波傳播中遇到的目標(biāo)模型，輸出電場(chǎng)、電流分布和三維散射截面等信息，便于學(xué)生建立形象化認(rèn)知。

4.1 飛機(jī)散射目標(biāo)模型

以散射機(jī)制為例，當(dāng)無(wú)線電波傳播過(guò)程中遇到表面粗糙的不規(guī)則物體時(shí)，會(huì)發(fā)生散射。散射現(xiàn)象在日常生活中較為常見(jiàn)，如：電波遇到表面粗糙的墻體、車(chē)輛、樹(shù)葉、交通標(biāo)志、路燈柱等不規(guī)則物體時(shí)，需要掌握散射對(duì)于信號(hào)能量的影響。以一個(gè)飛機(jī)目標(biāo)為例，來(lái)闡述FEKO 軟件對(duì)電波散射的仿真。對(duì)于飛機(jī)散射特性的分析也是雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的重要應(yīng)用之一，結(jié)合這一實(shí)例，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)于無(wú)線電波在國(guó)防事業(yè)中應(yīng)用的了解[7]。

為了便于建模和分析，飛機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化。飛機(jī)機(jī)身總長(zhǎng)14.0m，兩側(cè)翼展9.8m，高度3.2m，如圖5 所示。機(jī)身材料設(shè)為理想金屬。頻率為300MHz 的平面波從飛機(jī)上方入射，通過(guò)觀測(cè)飛機(jī)的散射回波參數(shù)來(lái)了解無(wú)線電波散射的機(jī)制。

4.2 飛機(jī)散射特性的FEKO仿真結(jié)果與分析

采用FEKO 軟件對(duì)飛機(jī)的雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section,RCS）進(jìn)行仿真。RCS是描述飛機(jī)散射回波能量的重要參數(shù)。通過(guò)觀測(cè)RCS，能夠提取無(wú)線電波傳播的路徑損耗，并有效識(shí)別和探測(cè)雷達(dá)目標(biāo)。通過(guò)FEKO 仿真，獲得飛機(jī)的RCS 曲線，如圖5 所示，其橫軸表示觀測(cè)角Theta，沿XOZ 平面，范圍為0°～180°，縱軸表示RCS 的數(shù)值，單位為dBsm（分貝每平方米）。RCS 的數(shù)值越大表示回波能量越強(qiáng)，RCS 的數(shù)值越小表示回波能量越弱。

圖5 飛機(jī)電磁散射截面曲線

圖6 給出了仿真獲得的三維RCS 分布圖。其中，上方紅色箭頭表示入射波線極化方向，藍(lán)色箭頭表示入射波方向。三維觀察角度設(shè)置為0°～360°，掃角的步進(jìn)值設(shè)置為1°。三維RCS 圖更加清晰地展示了遠(yuǎn)場(chǎng)散射回波強(qiáng)度在整個(gè)空間中的分布情況。圖7給出了無(wú)線電波在飛機(jī)表面所激發(fā)的感應(yīng)電流強(qiáng)度分布。通過(guò)上述散射特性曲線和三維圖，加深了學(xué)生對(duì)于無(wú)線電波與目標(biāo)相互作用特性的描述，有助于加深學(xué)生對(duì)無(wú)線電波傳播散射機(jī)制的理解。

圖6 飛機(jī)三維空間散射強(qiáng)度分布

圖7 無(wú)線電波與飛機(jī)作用的表面感應(yīng)電流分布

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在無(wú)線通信教學(xué)中引入HFSS 和FEKO 兩款射頻EDA 仿真軟件，將抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為可視化的圖形演示。教學(xué)實(shí)踐證明，針對(duì)無(wú)線通信教學(xué)中面臨的理論性強(qiáng)、抽象度高的問(wèn)題，射頻EDA 虛擬仿真與理論教學(xué)相結(jié)合的新教學(xué)模式，有效增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于知識(shí)內(nèi)容的理解，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力，為無(wú)線通信課程教學(xué)提供了新思路。