两种双频鞭天线的设计方案和电磁仿真研究

宋立众

(1. 哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院， 山东 威海 264209;2. 东南大学 信息科学与工程学院 毫米波国家重点实验室， 江苏 南京 210096)



两种双频鞭天线的设计方案和电磁仿真研究

宋立众1,2

(1. 哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院， 山东 威海 264209;2. 东南大学 信息科学与工程学院 毫米波国家重点实验室， 江苏 南京 210096)

提出了综合考虑天线仿真技术和天线加工技术的天线设计性实验教学思路。以双频鞭天线的设计为例，研究了基于金属杆状结构和微带电路结构的双频鞭天线的设计方案，采用电磁仿真软件CST对其进行优化设计，在给定的工作频率上实现了技术指标要求，通过对两种方案的加工和辐射特性的分析，展示了该实验教学模式的特点和优越性。该双频鞭天线的设计方案对工程应用具有参考意义。

双频鞭天线； 电磁仿真； 微带电路； 实验教学

“微波技术与天线”是电子信息类专业的重要专业课程之一。由于该课程中一些概念难以理解，且对于数学知识要求较高，历来是难以讲授的专业课程之一[1-2]。微波电路与无源天线技术具有明显的工程实践性，对学生工程能力的培养和基本理论的掌握同样重要。传统的“微波技术与天线”课程侧重于基本理论的讲授，实验环节以测量线系统为主。随着技术的进步，现代主流的微波电路设计、加工和测量技术有了很大的进步，出现了多种先进的电磁仿真软件和微波电路加工技术，极大地提高了微波电路技术的研究效率和水平，缩短了研发周期[3-5]。在教学中引入工程实践的内容，进行基于项目驱动的设计性实验教学[6-8]，可以将教学和科研有机地结合在一起，让学生参与科研活动、开展设计性实验，发挥科研对教学的促进作用。

本文提出了基于项目驱动的“微波技术与天线”课程的实验教学模式，阐述电磁仿真技术在“微波技术与天线”教学中的作用，给出杆状结构的双频鞭天线和采用微带电路结构的双频鞭天线两种设计方案和电磁仿真结果，讨论微波天线在设计、加工和仿真中的相关问题。

1 项目驱动下的“微波技术与天线”实验课程教学模式

近年来，雷达和通信技术迅猛发展，作为理论和技术基础的电磁场和微波技术学科的重要性日渐体现。提高学生学习“微波技术与天线”课程的兴趣，使学生接触到实际的工程技术知识，掌握实用性技能，是本课程教学的重要任务之一。

项目驱动下的“微波技术与天线”课程实验教学模式将整个教学过程分成基本理论教学、基本实验教学和基于项目研发等3个教学环节，其中基于项目研发的教学环节是我校新引入的特色教学内容。

在该教学模式下，授课教师首先要向学生讲授基本的理论和实验知识，使学生能够为基于项目驱动的学习做好准备，然后根据教学内容和实际科研项目的情况，选择合适的课题。教师将课题分成几个单元，在向学生介绍课题背景的条件下，以任务书的形式向学生分配研究任务，明确研究目标和研究内容，指导学生独立完成课题的研究任务。学生在进行课题研究中，要查阅大量的文献，自主探索解决问题的途径，独立设计课题的实现方案，学习和掌握必要的仿真工具，在规定时间内完成设计和仿真实验。在教学过程中，要突出设计方案、电磁仿真和可实现性分析这三方面的内容，重点向学生讲述微波电路的设计方案和工程实现的区别和联系，使学生能够完成在工程上可实现的设计方案。考查的重点是学生独立解决实际科研问题的能力，将设计结果作为成绩考查的依据。

在项目驱动下的“微波技术与天线”课程教学模式中，主要采用基于电磁仿真的微波电路与天线设计技术，这样可以有效节约实验成本，也能让学生接触到目前主流的微波电路和天线设计技术，更有利于学生后续的学习和工作。常用的微波电路与天线设计的电磁仿真软件有CST、ADS、FEKO和HFSS。

CST软件是德国CST公司开发的高级无源微波器件及天线仿真软件包。该软件采用有限积分法，对时域信号采用离散傅里叶变换，能够一次计算得到全宽频带的散射参量。用软件实体建模的特点是结构建模器的全参量化，添加约束条件后，可以进行优化设计和仿真。CST软件具有较强的结果显示功能，能动态显示场量，其后处理功能强大，能够对2D和3D场量等进行灵活的处理[9-10]。

ADS软件是美国安捷伦公司开发的大型综合设计软件，它支持所有类型的射频设计，包括射频/微波模块、通信和航空航天的MMIC。该软件提供了高性能的仿真能力。

FEKO软件是针对天线设计和电磁仿真的专业电磁场分析软件，它基于矩量法，从而非常适合于分析天线设计中各类电磁场的问题。FEKO实现了MOM方法和PO/UTD的混合，可以根据计算机硬件条件和待求解问题的精度要求，求解成百上千个波长的问题[11-12]。

HFSS软件是美国Ansoft公司开发的一种三维结构电磁场仿真软件，HFSS的理论基础是有限元方法，特别适合设计各种辐射器及求本征模问题，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场[13]。

本文以CST软件作为电磁仿真工具，研究双频鞭天线的设计方案及其仿真优化问题，并以此为例，展示项目驱动下的实验教学模式的应用。

2 金属杆状双频鞭天线设计方案和电磁仿真

在采用跳频、扩频和多频等工作方式的无线电电子系统中，为了减少天线的数量，改善电磁兼容性能，多采用双频或多频天线[14-15]。双频鞭天线是一种常用的双频天线形式，它结构简单，成本低廉，设计方案灵活，适合于无线通信、雷达、微波测量等应用场合[16-17]。双频鞭天线是由两个不同长度的垂直单极子共同连接在馈线上形成的，在馈线的下方安装金属地板。该天线具有双频辐射特性，调整两个垂直单极子长度、金属地板的形状和尺寸以及天线距离地板的高度，可以实现预期的工作频率。为了实现更好的阻抗匹配特性，可以在馈线和金属接地板之间加载阻抗匹配网络。

杆状结构的双频鞭天线需要先进行机械加工，然后将加工好的各组成部分装配在一起。该方案要求机械加工的精度较高，但是对材料的要求不高，成本略低。笔者设计的杆状双频鞭天线的结构如图1所示，经过电磁仿真和优化设计，天线的圆形金属地板直径为160 mm，两个单极子的长度分别为75 mm和37 mm，圆柱形单极子的直径为4 mm，单极子距离金属地板的高度为15 mm，其工作频率分别为0.8 GHz和1.9 GHz。

图1 杆状双频鞭天线的结构图

仿真结果表明，该杆状结构双频鞭天线在给定的2个工作频点上的的输入电压驻波比(VSWR)分别约为1.3和1.1，达到了VSWR小于2的指标要求(见图2)。

图2 杆状结构双频鞭天线的VSWR仿真结果

在0.8 GHz频点上，该天线的三维增益方向图如图3所示；在xoz面、yoz面和xoy面的增益方向如图4所示。可以看出，在该频点上所设计天线在水平面(xoy面)的3 dB波束宽度约为256°，具有较宽的波束覆盖范围；其轴比在轴向约为40 dB，且轴比在很宽的角域范围内表现为较大的数值，近似为线极化的特性。该天线增益达到2.4 dB。

图3 杆状结构双频鞭天线在0.8 GHz的三维增益方向图

图4 杆状结构双频鞭天线在0.8 GHz的二维增益方向图

在1.9 GHz频点上，该天线的三维增益方向图如图5所示；在xoz面、yoz面和xoy面的增益方向如图6所示。可以看出，在该频点上所设计天线在水平面(即xoy面)的3 dB波束宽度约为79°，但仍表现出很宽的波束覆盖范围；其圆极化轴比在很宽的角度范围内约为40 dB，也近似为线极化特性；该天线增益达到4.83 dB。

图5 杆状结构双频鞭天线在1.9 GHz的三维增益方向图

图6 杆状结构双频鞭天线在1.9 GHz的二维增益方向图

3 微带电路结构的双频鞭天线设计方案和电磁仿真

微带电路的加工方式具有加工精度高和产品一致性好的特点，是加工微波电路与天线的主流方式。微带电路结构的双频鞭天线，其垂直单极子和馈电线在印刷电路上实现，仿真中选择的介质板厚度为1.5 mm，铜箔厚度是0.036 mm，介质基板的相对介电常数为2.2。金属接地板仍为圆形结构，采用特性阻抗为50 Ω的同轴电缆馈电(见图7)。该天线的2个振子臂采用渐变结构，以改善其频带宽度特性。经过电磁仿真与优化，最后确定该天线的金属地板直径为100 mm，两个振子距离金属地板的高度为18 mm，两个振子的长度分别为73 mm和37 mm。该方案和金属杆状结构的双频鞭天线相比，振子长度变化不大，金属地板面积有所减小。

图7 微带电路双频鞭天线结构图

仿真结果表明，该微带电路结构的双频鞭天线在0.8 GHz和1.9 GHz工作频点上的电压驻波比分别约为1.1和1.5，同样达到了小于2的指标要求，表明微带电路方案可以实现类似的双频谐振特性(见图8)。

图8 微带电路结构双频鞭天线的VSWR仿真结果

在0.8 GHz频点上，该天线的三维增益方向图如图9所示；在xoz面、yoz面和xoy面的增益方向如图10所示。可以看出，在该频点上所设计的天线在水平面(即xoy面)的3 dB波束宽度约为234°，同样具有宽波束特性；该天线轴比在主波束范围内约为40 dB，近似为线极化辐射特性；该天线增益达到1.87 dB，略低于金属杆状双频鞭天线的方案。

图9 微带电路结构双频鞭天线在0.8 GHz的三维增益方向图

图10 微带电路结构双频鞭天线在0.8 GHz的二维增益方向图

在1.9 GHz频点上，该天线的三维增益方向图如图11所示；在xoz面、yoz面和xoy面的增益方向如图12所示。可以看出，在该频点上所设计天线在水平面(即xoy面)的3 dB波束宽度约为97°，略宽于金属杆状双频鞭天线；其圆极化轴比在主波束范围内约为40 dB，近似为线极化辐射特性；该天线增益达到4.51 dB，和金属杆状双频鞭天线的结果近似。

4 结束语

本文提出了项目驱动下的“微波技术与天线”课程实验教学模式。基于电磁仿真技术，可以有效开展设计性和创新性的“微波技术与天线”课程教学工作。以双频鞭天线的设计和电磁仿真为示范，展示了基于项目需求的教学模式的优越性，对本门课程的实验教学改革具有一定的参考作用。

图11 微带电路结构双频鞭天线在1.9 GHz的三维增益方向图

图12 微带电路结构双频鞭天线在1.9 GHz的二维增益方向图

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Research on two design schemes of two frequency whip antennas and their electromagnetic simulations

Song Lizhong1,2

(1. School of Information and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China; 2. State Key Laboratory of Millimeter Waves, School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

This paper proposes a kind of design experiment teaching thought which considers both antenna simulation technique and antenna fabrication technique. Taking the design of twin whip antenna with dual frequencies as an example, this paper researches two kinds of design schemes of the two frequency whip antennas which have the metal rod structure and the microstrip circuit structure, respectively. The antennas are designed and optimized by using the electromagnetic simulation software CST and the technical requirements were met at given operational frequencies. Through the analysis of fabrication methods and radiation characteristics for these two kinds of twin whip antennas, the characteristics and advantages of the proposed experiment teaching mode can be demonstrated. At the same time, the researched design schemes of twin whip antennas have the reference significance for practical engineering applications.

twin whip antenna; antenna electromagnetic simulation； microstrip circuit; experimental teaching

2014- 07- 26

哈尔滨工业大学(威海)校级教学研究项目(ITDA10002104);中国博士后科学基金资助项目(2014M561554);毫米波国家重点实验室开放课题资助项目(K201328)

宋立众(1975—)，男，辽宁沈阳，东南大学博士后，教授，博士生导师，研究方向为天线技术、电磁场与微波技术和雷达技术.

E-mail：songlizhong@hitwh.edu.cn

TN821

A

1002-4956(2015)2- 0114- 05

虚拟仿真技术探索与实践