天线与电磁场课程综合设计性实验的研究

李婵娟，傅世强，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)



天线与电磁场课程综合设计性实验的研究

李婵娟，傅世强，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)

摘要为改善天线与电磁场实验课程缺少综合设计性实验并且脱离实际工程的现状，以金属栅网屏蔽电磁波传播为例，提出了一种综合设计性实验的教学思路。实验所用天线和金属栅网均需学生自主设计、仿真、制作并测试，其中金属栅网的设计结合了前沿的频率选择表面技术，实现了与时俱进。通过设计性实验不仅激发了学生的学习兴趣，而且促进了学生熟悉实际工程的操作过程，提高了独立思考以及解决问题的能力。

关键词实验系统；综合设计性；频率选择表面；无线与电磁场

2010年，教育部发布了“卓越工程师培养计划”[1]，旨在未来10年内培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。各高校已在积极展开人才培养模式的改革[2-4]。

天线和电磁场理论课既是电子信息类专业的核心专业课程，也是培养天线微波技术人才的重要课程。这类课程理论性和工程应用性强、内容抽象、公式繁杂，历来是难教与难学的课程。大部分高校相应的实验教学也仅以演示实验以及验证型实验为主，并且实验内容陈旧，很难激发学生的学习兴趣，更无法锻炼其工程应用能力；还有部分学校采用了虚拟仿真实验方式，该方式虽然能够节约成本[5-6]，但在锻炼学生动手能力方面明显不足。为此，我们以工程素质提升、综合实践能力提高与创新能力培养为目的，基于我校实验室现状，并结合领域新技术，研究了一种综合设计性实验。该实验不仅可以充分调动学生的学习积极性，鼓励学生独立思考，而且因真正贴近工程实际，锻炼了学生的动手操作及工程应用能力。

1实验简介及设计思路

针对传统实验存在的问题，设计了天线与电磁波的综合设计性实验。该实验系统由电磁波发射天线、接收天线、金属栅网以及矢量网络分析仪4部分构成，系统连接框图如图1所示。实验内容是研究电磁波在通过栅网时的传播特性，尤其是金属栅网对特定频率下电磁波的屏蔽性能。该系统除了矢量网络分析仪是测试仪器，其他部分均为学生自己动手制作。为了收发电磁波，必须有天线作为收发装置，该装置以天线理论课上所学知识为基础来完成。针对具有屏蔽特定频率电磁波功能的金属栅网，则选择比较前沿的频率选择性技术来分析并仿真制作，改善原有陈旧的实验内容。

实验过程中，学生根据各组成部分的技术指标要求，分别设计制作出收发天线及金属栅网。通过仿真设计、调试、制作及测试，学生不仅能够了解实验过程及原理，熟悉工程上制作的步骤，与工程应用接轨，而且能够不断地引发思考，更加深入理解所学理论，激发学习兴趣。

图1　实验系统连接框图

2综合设计性实验内容及实施方案

实验的主要内容是实现金属栅网屏蔽特定频率线极化电磁波的传播。目的让学生根据设计指标，设计符合要求的收发天线及相应的金属栅网。天线及金属栅网均采用在介质表面贴铜箔的方式来制作。该方法具有成本低廉，可重复利用及制作简单等优点，方便在高校本科实验教学中推广。

本文以2.5 GHz线极化电磁波在金属栅网下的传播特性实验为例，详细介绍实验内容及教学方法。

2.1设计收发线极化电磁波天线

本文以八木天线为例，根据课堂学习的理论知识以及查询相关文献[7-8]，利用实验室提供的器材，可以选取结构相对简单的双面印刷的微带八木天线来完成实验。双面结构可以由同轴线内外导体分别馈电，内外导体电流在理论上存在180°的相位差，一定程度上精简了天线的结构。

1)介质板一面的结构是由一条馈线连接的对称振子的一个臂；另一面通过一个巴伦结构后由馈线连接到对称振子。巴伦结构不仅起到馈电平衡的作用，还使电磁波反射到对称振子一边，即具有反射器的作用。设计时采用业界公认的三维电磁场仿真软件HFSS(high frequency structure simulator)[9-10]建立仿真结构图，如图2所示。

图2　HFSS仿真结构图

2)对给定指标的天线进行仿真优化设计，设计指标要求阻抗带宽大于400 MHz、中心频率在2.5 GHz。为满足设计指标，考虑辐射效率及天线的增益等性能，在仿真时需要注意选择合适的馈线宽度，对称振子臂的长度及引向器的长度。可通过逐一改变参数大小来观察仿真结果的变化趋势，并进行优化。最终设计的八木天线的仿真结果反射系数达到-25 dB，如图3所示，中心频率在2.48 GHz附近，满足设计指标要求。

图3　HFSS仿真结果图

3)根据仿真得到的各部分的尺寸，裁剪适合大小的介质板，我们建议选取的介质板为2 mm厚度的聚四氟乙烯材料Teflon，该材料具有损耗低，收发效率高的特点。

4)按照仿真得到的参数裁剪相应大小的铜箔贴于介质板上，并焊接同轴线接头。

5)利用矢量网络分析仪对加工的天线进行性能测试，实验测试结果如图4所示，与仿真结果基本一致。整个实验过程是一个不断改进的过程，即通过对前一次测试结果及误差的分析，提出改进方案，再进行仿真优化和加工测试调试，最终得到满意的结果。

图4　实验结果

2.2设计金属栅网

本实验要求设计能够重点屏蔽2.5 GHz频率电磁波的金属栅网，可以引导学生利用频率选择性表面(frequency selective surface ，FSS)[11-12]来完成。FSS是一种由位于介质层上或夹在介质层中间的周期性的导电贴片单元或者孔径单元构成的单层或者多层的准平面结构。它对电磁波具有一定的频率选择特性，其本质特征是能够对不同频率、不同入射角和不同极化状态的电磁波呈现带通或带阻的滤波特性，被广泛应用于空间过滤器、雷达罩、电磁吸收和屏蔽等方面[13-14]。

1)实验过程中，学生需要利用HFSS仿真软件对栅网进行建模仿真，为了更好地理解栅网对电磁波的屏蔽特性，实验时，可采用渐进式仿真。对无栅网情况时进行仿真，观察无栅网时的电磁波传播特性。

2)设计开缝型栅网、开孔型栅网逐渐过渡到正方格栅网。

3)通过改变网格的大小以及金属条的宽度，观察电磁波通过栅网时传输特性会发生怎样的变化。最终找到满足实验指标的栅网的尺寸，即正方形网格的边长为35 mm，每个正方形之间相距15 mm，铜箔宽度为2.5 mm。

4)按照仿真参数利用铜箔以及聚四氟乙烯板进行加工金属栅网实物。

5)进行实物验证，利用已经制作好的微带八木天线及金属栅网搭建实验平台，在电磁波传播系统中利用矢量网络分析仪测量传输特性曲线。加入栅网前后测得的曲线如图5所示。由图中可看出，加入栅网后2.5 GHz处衰减大概为-42 dB，比未加栅网时多了25 dB，呈现了明显的带阻特性，说明FSS正方格栅网确实起到了频率选择性屏蔽电磁波的作用，验证了仿真实验的结果。

图5　加入栅网前后的传输特性曲线

本实验也易于推广到其他的天线形式，如偶极子天线、环天线等，实验项目的设置可以针对学生的能力和各专业要求的不同，而进行不同的实验方法设计，有较大的扩展余地。实验过程可以采用独立完成或者多人合作的形式，可以同时锻炼学生的团队协作精神。

3结束语

本文提出了一种天线与电磁场实验课程的综合设计性实验思路，即学生根据设计指标利用仿真软件，设计实验所需的天线、金属栅网等结构；然后动手制作实物，并通过测量仪器进行性能的测量；最后将制作的天线与栅网相结合搭建电磁波传播系

统，观察系统的特性，完成实验。相比于传统的验证型实验，具有综合设计性强，更贴近工程实际等优点。此外该类实验成本低廉、制作简单，可广泛用于高校实验教学。通过实验，既锻炼了学生的动手能力，培养了科技创新能力，又激发了学生的学习兴趣，加深了对理论知识的理解，使其更加适应经济社会发展的需要，向工程技术人才靠拢，一定程度上增加了就业竞争力。

参 考 文 献

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Study of Comprehensive Designing Experiment for Antenna and Electromagnetics Courses

LI Chanjuan，FU Shiqiang，FANG Shaojun

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

AbstractIn order to improve the condition in antenna and electromagnetic field experiment course lack of comprehensive designing experiment and far from the actual engineering，comprehensive design experiment teaching ideas have been proposed taking metal mesh shield electromagnetic wave propagation as an example.All students are required to independently design，simulate，fabricate and test the required experimental antenna and metal mesh.It keeps pace with the times by designing of metal mesh combined with frequency selective surface technology.The design of the experiment cannot only stimulate students’ interest in learning，but also can make students familiar with the actual operation of the process engineering，and improve the students’ independent thinking and solving problem skills.

Key wordsexperimental system; comprehensive designing; frequency selective surface;antenna and electromagnetic field

收稿日期:2015-01-19

基金项目：辽宁省教育厅教改项目(UPRP20140812)；大连海事大学教改资助项目(2014Q07)。

作者简介：李婵娟(1982-)，女，硕士，实验师，主要从事天线与电磁场方面的实验教学工作。

中图分类号TN 820

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.001

·实 验 技 术·