一种低成本圆极化天线实验教学的研究

傅世强， 李婵娟， 邵雨萌， 房少军

(大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心， 辽宁 大连 116026)

一种低成本圆极化天线实验教学的研究

傅世强， 李婵娟， 邵雨萌， 房少军

(大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心， 辽宁 大连 116026)

为全面提高学生对天线特性(包括阻抗特性、方向特性和极化特性)的理解，使学生亲身体验天线从设计制作到测试应用的全过程，提出了一种适合实验教学的低成本圆极化天线结构，并给出了工程化的天线实验教学思路。实验过程包括理论设计、软件仿真、天线制作、测试调试和工程应用等环节。通过一系列的训练，使学生熟悉天线电磁仿真软件、掌握天线参数分析和测量的方法，培养学生创新设计天线的能力。

罐头天线； HFSS仿真； 圆极化轴比； 实验测量

随着无线通信技术的迅速发展，天线应用领域不断扩展，市场对天线工程人才的需求不断上升。天线作为无线通信系统发射和接收电磁波的射频前端器件，其性能优劣对整个系统的通信质量至关重要。衡量天线性能好坏的主要技术参数包括阻抗特性(反射系数)、方向特性(增益和波瓣宽度)、极化特性(轴比)等[1]。近年来，圆极化天线由于具有良好的传播特性，在卫星通信、RFID(射频识别技术)、WLAN(无线局域网)等方面均有广泛的研究和应用。

电波与天线是培养天线工程人才最重要的课程，由于该课程工程性和实践性较强，实验教学在课程教学中发挥着重要作用。然而国内高校电波与天线课程的实验教学却不尽如人意，大多数高校的天线实验仅仅是验证性的[2-3]，设计方面的内容几乎为零。传统的天线实验在微波暗室中进行，实验设备昂贵，测试系统复杂，学生在实验过程中感觉难度较大。为此一些高校为了节约成本，采用虚拟仿真实验[4-5]的办法，使学生缺少了动手实践的机会。近年来，随着计算机技术的不断发展和电磁仿真软件的不断涌现，在天线的实验教学环节中引入全波电磁仿真技术，虽然是对硬件实验的有益补充，是一种有效的实验教学模式[6-8]，但不利于学生掌握天线的参数分析与测量方法。

为了加强对天线工程人才实践能力的培养，文献[9]利用身边的普通材料做出了性能优良的WLAN天线，降低了天线的成本，然而天线的极化方式是线极化，不利于抗多径干扰。文献[10]设计了一个用于卫星通信的圆极化波导天线，并制作了C波段的天线实物，取得了较好的天线性能。文献[11]设计了用于测试天线方向性图的转台和接收指示装置，但是没有给出测试天线圆极化和阻抗的方法，不利于学生全面认识天线的主要技术参数。本文从实际工程应用角度出发，设计了一种低成本的圆极化天线实验教学方案。在前人已有工作的基础上，提出一种工程化的天线实验教学思路，实验过程包括：理论设计、软件仿真、天线制作、测试调试和工程应用等环节。通过一系列的训练，使学生熟悉电磁学仿真软件的特性和数值计算方法，掌握天线的参数分析与测量方法，最终使学生能够懂得如何将理论知识更好地转化为实际生产力，达到学以致用的目的。

1 天线的理论设计和仿真分析

随着现代天线对性能指标的要求越来越高，天线的设计越来越复杂，而设计周期却越来越短。传统的设计方法已经不能满足当今天线的设计需求，使用微波EDA软件进行天线设计已经成为必然趋势。借助于这些商用软件，只要在各仿真软件的绘图界面中建立相应的天线电磁问题模型，再进行相关的计算设置，进行仿真便可以得到比较准确的计算结果。虽然各种功能强大的电磁场仿真软件的涌现，给天线工程研究人员带来了极大的便利，可以很快地验证自己的设计构想，但是，软件只能作为一种工具来使用，要想设计出理想的天线，必须建立在对电磁场理论的深刻理解和丰富的工程设计经验之上。所设计的天线由一终端短路的圆波导和环形馈电探针构成，通过圆波导的口径面辐射。天线结构图如图1所示。

图1 圆极化罐头波导天线模型

由电磁场理论和微波技术课程的知识可知，圆波导中传输模式主模为H11(TE11)模，其截止波长为λc(H11)=3.41R，R为圆波导的半径；第一个高次模为E01模，其截止波长λc(E01)=2.62R。为了保证圆波导中单模传输条件，天线的工作波长必须满足2.62R≤λ0≤3.41R。若规定天线的中心频率为f=2.45 GHz，此时真空中的波长为λ0=c/f=122.45 mm，即圆波导半径必须满足条件35.9 mm≤R≤46.7 mm。选取圆波导的半径为40 mm，此时H11模的波导波长可计算得λg(H11)=276.9 mm，波导管可以工作在主模H11模的频率范围为2.2～2.86 GHz。设计天线的工作频率范围是ISM频段2.4～2.483 GHz，正好在波导管的单模工作范围内。

根据波导喇叭天线的原理，馈电探针应该在距波导短路面1/4波导波长左右，此时探针激励出的电磁波一路通过波导口直接辐射出去，另一路经过1/4波导波长传输到波导的短路面，产生90°的相位差，电磁波在波导短路面发生反射时，会产生180°的相位差，再经过1/4波导波长到达馈电探针位置处，又产生90°的相位差，此时共形成360°的相位差，最终探针激励出的2路电磁波传输到波导口时达到同相叠加的效果。馈电探针采用环形结构来激励圆波导的主模，通过在探针圆环末端引入一个缺口使探针上电流呈行波分布，因为环形探针周长近似一个波长，所以y轴电场与x轴电场之间有90°相位差，形成圆极化条件，如图1结构中放置的圆环产生右旋圆极化，若产生左旋圆极化只需改变圆环的旋向。改变馈电圆环的周长(即半径r)可以改变天线的工作频率，调节开口的大小可以调节圆极化的好坏。

HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，包括天线阻抗、电压驻波比、S参数、二维和三维辐射方向图、增益、轴比、内部电磁场分布等，已成为业界公认的三维电磁场设计和分析工具。设计过程中采用HFSS软件建立天线模型，如图1所示。通过大量的计算机仿真分析，最终得到以下天线结构参数：R=40 mm，h=70 mm，r=28 mm，H=160 mm，d=12 mm，φ=90°。图2是天线各项性能曲线HFSS仿真结果图。从图中可以看出，天线的反射系数S11<-10 dB能够覆盖2.38～2.61 GHz，在中心频率2.45 GHz附近匹配较好；天线的3 dB轴比带宽近80 MHz(2.413～2.492 GHz)；天线的具有良好的右旋圆极化(RHCP)辐射方向性图，增益超过7 dB，交叉极化抑制较好。

通过计算机仿真实验，学生还可以研究各主要尺寸参数对天线性能的影响。改变天线的高度H，对天线回波损耗及轴比的影响不大；改变馈电位置h，主要影响天线的匹配，当馈电位置h接近1/4波导波长时匹配最好；馈电圆环半径r主要影响天线的谐振频率，当r变大时，天线谐振频率降低，反之，当r变小时，天线谐振频率升高，另外，r对天线的轴比也有一定影响；圆极化通过环形探针上的电流行波分布实现，环形探针开口的角度φ对天线的圆极化有很大影响，当天线获得较好的阻抗匹配后，可以通过调节环形探针开口角度φ及馈电圆环半径r优化天线的轴比。

图2 圆极化罐头波导天线HFSS仿真结果

2 天线的加工制作和实验测量

学生经过了天线理论设计和电磁仿真阶段的训练之后，就可以根据得到的最优结构进行天线的实物制作。为了降低实验成本，让制作材料较易获得，直接选择合适大小的金属茶叶罐或奶粉罐作为天线的圆波导辐射体。罐周身最好是光滑的圆柱，不要有凹凸不平的波浪纹，直接选用粗一点的实心铜线弯成合适的圆环形状，作为波导内的激励源。为了降低加工复杂度，让制作工具较易找到，需要准备的工具有电钻、电烙铁、尺子、剪刀、锉、美工刀。所用原材料和工具如图3所示。

图3 罐头天线制作材料和工具

天线的加工过程非常简单，根据仿真获得的最佳尺寸，首先找到合适的馈电位置，利用电钻在罐上钻出馈电孔和接头固定孔，如果没有电钻，也可以用钉子打孔；然后将粗铜导线加工出馈电圆环，并将馈电圆环一端与SMA接头焊接；最后将馈电圆环通过馈电孔旋转探入罐中并用螺丝固定接头，完成天线制作。

加工完天线之后，使用南京普纳公司的PNA3621型矢量网络分析仪及天线转台测试系统对该天线进行阻抗特性、方向特性和极化特性的测量[12]。该测试系统采用电桥法可对天线的回波损耗、驻波比等反射特性进行测试；采取旋转天线法对天线的方向性和圆极化轴比特性进行测试。将待测天线固定于测试转台上，通过方向控制器控制天线在水平面内旋转360°，接收天线接收来自转台上发射天线的场强，经过后处理得到测试结果。在网络分析仪仪表面板显示结果的同时，通过网络分析仪串行接口，在电脑上可显示出测量的相关图形曲线和数据。测试频率范围为2～3 GHz，共选取81个采样测试点，测得天线输入端反射系数曲线、极坐标下的方向图和顶点的圆极化轴比特性曲线，如图4所示。

从测量结果可以看出，设计的圆极化天线的阻抗匹配特性很好，最佳反射系数对应的频点与仿真结果相比偏低，可以通过改变圆环尺寸实现工作频率的调整；天线的实测方向性图主瓣对称性较好，但是后瓣较大，与仿真时的结果有些差异，这可能是由于实验室的空间测试环境复杂导致的；天线顶点轴比测试曲线不平滑呈锯齿状，这是由于电波多次反射后进入测试天线所致。另外测试轴比值较仿真值偏大，可能由于转台旋转过程中天线顶点发生偏移导致测试结果偏离顶点的轴比值。但总的来说，测试结果与仿真结果吻合，测试过程有助于学生了解天线的特性和测试方法。最终将测试合格的天线应用到WLAN终端路由器，实现信号的良好收发，学生看到自己亲手制作的天线用在了自己的身边，体会到了前所未有的成就感，大大提高了学生学习和实验的兴趣。

3 结束语

为了全面考查学生对天线的认识，培养学生将天线理论与工程实践相结合的能力，本文提出了一种适合学生自己动手设计和制作天线，并自行调试和测量天线，开展综合性和设计性天线实验的教学方法。在对波导天线结构和工作原理分析的基础上，设计了一种工作在ISM频段2.45 GHz的低成本圆极化天线。利用HFSS电磁仿真软件对天线建模并进行仿真优化，得到了最佳的反射系数、方向性和圆极化特性等参数。然后加工制作了天线实物，并在天线测试平台上利用PNA3621网络分析仪进行了阻抗特性、方

图4 罐头天线测试过程及测量结果

向特性和极化特性的测试。最终将测试合格的天线放到无线路由器进行工程验证，实现了信号的良好收发，从而达到了学以致用的目的。该实验教学有利于加强学生对天线特性的理解，增强实验兴趣，提高教学效果。另外，本文设计的圆极化天线结构简单，也利于实际工程实现与应用。

References)

[1] 约翰.克劳斯.天线[M].章文勋，译.北京:电子工业出版社, 2011.

[2] 张兰,田茂,李晓蓉,等.微波射频与天线实验室建设的探讨[J].武汉大学学报:理学版, 2012, 58(增刊2):197-200.

[3] 张兰,李晓蓉,龚子平,等.电波传播与天线专业实验教学体系的构建[J].实验技术与管理, 2012, 29(11):176-178.

[4] 房少军,李洪彬,段晓燕,等.天线实验教学仿真系统的研究[J].实验室研究与探索，2010, 29(1):50-52.

[5] 于臻,冉小英.基于PNA3621网络分析仪的天线虚拟实验系统[J].实验室研究与探索，2012, 31(4):255-258.

[6] 宋立众,王淼,聂玉明,等.超宽带缝隙螺旋天线仿真与教学应用研究[J].实验技术与管理, 2014, 31(5):107-111.

[7] 宋立众,房亮,聂玉明,等.基于FEKO的双极化振子天线设计与仿真研究[J].实验技术与管理, 2014, 31(6):102-105.

[8] 汪涛,毛剑波,刘士兴,等.天线仿真实验的设计与教学实践[J].实验技术与管理,2012, 29(12):89-93.

[9] 祝胜光,汤希国. WiFi罐头天线设计制作[J].无线通信技术, 2011(4):39-41.

[10] Wei Kunpeng, Zhang Zhijun, Zhao Yang, et al. Design of a Ring Probe-Fed Metallic Cavity Antenna for Satellite Applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61(9):4836-4839.

[11] 陈波,王志敏,杨峰.电磁场与波课程中天线教学创新实验设计[J].实验科学与技术, 2011, 9(2):19-21.

[12] 于臻, 余建国, 冉小英. H 面矩形喇叭天线的仿真与测试[J]. 实验室研究与探索，2013, 32(6):258-262.

Research on low cost circularly polarized antenna experimental teaching

Fu Shiqiang, Li Chanjuan, Shao Yumeng, Fang Shaojun

(Demonstration Center of National Electrical and Electronic Experiment Teaching, DalianMaritime University, Dalian 116026, China)

In order to improve students’ understanding on antenna characteristics (including input impedance, radiation pattern and polarization), and to enable students to experience the whole process from antenna theoretical design to the engineering application, a low cost circularly polarized antenna structure suitable for experimental teaching has been proposed. The experimental teaching idea of antenna engineering has been put forward, including theory design, simulation, fabrication, measurement and engineering application. Through a series of training, the students can be familiar with electromagnetic simulation software and master the antenna parameters analysis and the measurement method. It can ultimately achieve the objective to cultivate the students’ innovative ability in antenna design.

can antenna; HFSS simulation; circular polarization axial ratio; experimental measurement

2014- 09- 30 修改日期：2014- 10- 29

辽宁省教育厅教改项目(UPRP20140812)；大连海事大学教改项目(2014Q07)

傅世强(1981—)，男，山东龙口，博士，副教授，主要从事天线与射频电路方面的教学和科研工作.

E-mail：fushq@dlmu.edu.cn

TN820；G642.0

A

1002-4956(2015)5- 0216- 03