成果导向教育模式下的天线实验教学设计

刘亮元， 陈又鲜

( 电子科技大学 中山学院 电子工程系， 广东 中山 528402 )

0 引言

成果导向教育OBE(Outcomes-based Education)是指基于学习产出的教育模式，教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果。OBE理念既重视基础和专业能力培养，又重视与科学前沿、工 程实际和社会应用实践的密切联系，使课程规划与教学符合产业需求。OBE理念是以学生的学习成果为导向，逆向确定教学计划和教学环节，把学生作为教学的中心，教师指导学生实现预期的学习目标[1～4]。

天线课程教学引入电磁仿真软件HFSS、EDA辅助电路设计和计算机仿真技术，使得“天线原理”成为一门应用性、工程性极强的课程。由于HFSS具有快速而便捷的计算功能，可快速处理复杂天线结构，并同步实现复杂计算数据的可视化，通过多种图形形式和变化曲线加以表现[5～7]。部分应用型本科院校开展了针天线仿真实验教学，对天线专业还有一些不错的综合性实验[8～10]，这些综合性的实验对学生工程实践、科研思维、科研能力的培养非常有用。本文将HFSS引入天线的实验课堂教学中，仿真设计WLAN天线、手机天线、喇叭天线、基站天线和圆极化阵列天线。利用 HFSS 来设计电磁仿真实验，把理论教学和仿真实验教学有效结合起来，加深学生对理论学习的理解，鼓励学生自己动手利用HFSS 解决天线一些实际问题。

1 成果导向天线实验教学设计

天线课程通过一个以工程实践为背景的通信终端天线的研究、设计与实现，使学生能将已学过的微波电路、计算机技术及通信原理等知识综合运用于通信终端天线的设计中，从而培养学生综合应用知识能力、通信终端天线设计能力和工程实践能力。学生在系统掌握基础理论、专业知识和基本技能的基础上，进行全面综合运用，是对实际问题进行创造性设计(或研究)的综合性训练，以达到培养学生独立分析问题和解决问题能力。通过教师把常用天线设计成实验项目，学生积极参与的方式，培养学生发掘、分析和应用研究成果进行课程设计的能力。课程要求学生进行项目分析、方案制定与论证、基板选型和电路设计、计算机软件仿真、加工测试、答辩验收和产品评价等，加强学生对工程系统设计要求、制造过程、成本核算的认识，激发学生工程项目宏观和微观的思维模式，提高通信终端天线系统综合设计能力。在已有射频天线理论教学基础上，天线实验项目教学设计流程图如图1所示。

图1 天线课程OBE实验教学设计

2 成果导向天线实验教学过程

学生掌握了基本天线理论知识，即可开展一个射频通信天线项目教学，教学内容包括项目调研、设计指标和方案制定、仿真调试、匹配器设计、实物制作和实物测试。天线辐射原理如图2所示，通过仿真和测试实验使学生加深对射频和天线相关概念和理论的理解，培养学生的动手能力和科研思维能力。

图2 天线辐射原理图

在微带圆极化天线项目的实施过程中，用理论知识来和天线基本原理指导实验调试，分析实验结果，处理实验数据。分析频率偏移和端口不匹配的原因，调整天线结构和尺寸，记录并保存重要调试数据，参数化扫描天线关键尺寸对阻抗匹配、轴比带宽和辐射性能的影响。选取合适的天线基板材料，在覆铜板上腐蚀，焊接镀膜，进行远场辐射特性测试，撰写设计报告和答辩PPT。

2.1 设计指标和基本理论

天线课程设计一种圆极化微带阵列天线，以小尺寸切角贴片作为天线单元，采用中心对称的相位差依次为120°持续旋转馈电网络，具有宽带阻抗特性和宽带轴比特性。微带天线具有剖面低便于集成特性，适合设计高增益圆极化天线。在大多数的应用中，微带天线将最终代替常规天线。微带线馈电结构简单，加工制造便捷且费用低，输入阻抗调节方便，便于设计阵列天线。由于微带线会造成辐射，实际设计微带圆极化天线时，其微带馈线位于辐射单元的辐射边上，通过改变微带馈线的长度、宽度、馈电点位置实现圆极化天线阻抗匹配，以减小微带馈线的辐射影响。单馈法无需移相器和功分器，常用于微带阵列天线设计。该教学项目圆极化阵列天线工作频率：5.75～5.89GHz；增益：≥14.5 dB；水平方向半功率波瓣宽度：20°±2°；垂直方向半功率波瓣宽度：35°±3°；电压驻波比：≤1.5；极化方式：右旋圆极化；轴比：≤3 dB；旁瓣抑制：≥18 dB；天线整体尺寸(mm)：≤200 mm×100 mm×35 mm。

2.2 单元圆极化天线设计

根据空腔模型理论，微带单元天线单馈可以生成两个等幅且极化正交的简并模，通过切角方式可以在微带辐射单元上增加一个简并模，两个简并模相位相差90°即可实现圆极化辐射。切角矩形微带辐射单元天线阻抗带宽大，便于微调3dB轴比带宽。介质基板材质和厚度参数的均匀性影响天线电性能，聚四氟乙烯RogersRT5880机械特性和温度特性比较稳定，介质基板相对介电常数εr= 2.2，介质损耗为tanξ=0.0009，厚度h =2mm。微带单元天线宽度W选择16mm，高次模和表面波影响小。辐射贴片长宽决定天线谐振频率，规则矩形辐射单元初始宽度可以通过理论公式计算。通过HFSS仿真优化以获得天线项目目标所需的驻波、增益，通过HFSS参数化扫描优化切角尺寸获得需要的轴比带宽。

天线单元结构图和3D增益方向图3所示，采用侧馈的馈电方式，通过HFSS优化设计获得圆极化单元天线。单馈法的圆极化微带天线的轴比带宽调试较为方便，切角深度对圆极化特性的辐射影响分析见图。根据理论公式计算，建立的微带单元天线初始模型，再优化调节切角的尺寸，得到不同的切角尺寸条件下的3dB轴比带宽曲线，参数化扫描贴片的切角大小，天线的轴比带宽和轴比值都会有相应的变化。当切角尺寸为2.8mm时，天线3dB轴比带宽最优。单元天线 3dB轴比带宽基本满足要求，在项目目标要求的工作频带内，后续的馈电网络和阵列设计中作进一步优化处理带宽和增益。

图3 天线单元结构图和3D增益方向图

2.3 馈电网络功分器设计

微带线一分二功分器具有反相特性，天线教材较详细分析了并联馈电网络一般特性，天线项目采用四分之一波长阻抗变换器和一分四功分器做阻抗匹配，如图4所示。四分之一波长阻抗变换器的初始特性阻抗值可通过教材理论公式计算，采用传输线计算软件 Transmission Line Calculator 优化微带馈线宽度实现阻抗变换。4个输出端口的幅度和相位关系由微带传输线的宽度和长度决定[7]。

图4 一分四微带功分器

辐射单元及馈线表面采用镀金工艺，以降低导体损耗。减小微带线宽度，可减小功分器的辐射损耗。采用这些措施减小天线的损耗，同时提高天线增益。根据阵列天线相关理论分析，阵列天线的增益随阵元数量增大而增大，当阵元数量增加一倍，阵列天线的增益大致提高3dB。微带圆极化单元天线的增益约7.5dB，圆极化阵列天线的增益为14.5dB，通过单元组阵获得7dB增益。影响阵列天线增益因素主要有，天线本身的损耗，失配问题引成的反射，功分器网络效率和阵列天线效率等。设计前保证有足够的增益余量，由此估算阵列天线的阵列增益为9dB较为适宜。每增加3dB增益，阵元数目提高一倍，为了获得9dB的阵列增益，计算得到阵列天线的单元数量为8个。

阵列排布有多种方式，设计指标要求水平面和垂直面的波瓣宽度分别为 20°和 35°。水平面方向的阵元数量为m，垂直面方向的阵元数量为 n，组成一个 m×n 的矩形微带面阵天线。根据阵列天线理论，阵元数量与该方向的天线增益正相关的，而阵元数量与波瓣宽度负相关。即阵元数量越多，增益越大，而该方向的波瓣宽度会越宽。故选择垂直面方向的阵元数量为2单元，竖直面方向的阵元数量为4单元。初步确定好阵列单元数目和阵元排布方式之后，再来确定阵天线单元间距进行，需要考虑的因素有：越小阵元间距，便于提高天线天线增益和孔径的利用率。不利因素是阵元间会出现较强的互耦效应，导致单元与馈电网络的阻抗失配，进而降低圆极化阵列天线的增益、极化和主瓣宽度等电参数特性。用格林函数法做理论计算，阵元间距取d=0.8λ，阵列天线方向性系数最佳，阵元间距取d=0.75λ，阵列天线增益最佳。综合各种因素，阵元间距的初始值取39mm(0.75λ)，采用HFSS仿真优化设计来提高增益，减小栅瓣。

2.4 圆极化阵列天线设计

取4个完全相同的切角单元天线，采用前述功分器馈电网络，组成4单元圆极化阵列天线。对阵元间距D在39～43mm进行仿真，随着辐射单元中心间距D的增大，天线工作频率逐渐增大，D取42mm时，天线轴比达到设计要求，工作频率为5.81GHz。用初始功分器馈电网络对4个单元进行馈电，轴比带宽在5.52GHz即可就达到3dB以下，天线阻抗带宽均符合设计要求，在5.8G附近反射系数达到-10db以下，如图5所示。

图5 4单元圆极化阵列天线反射系数图

阵列天线设计重要的目标是提高增益，该仿真实验，学生通过优化设计可获得12.2 dB的高增益，4单元圆极化阵列天线图和3D增益方向图如图6所示。

图6 4单元圆极化阵列天线图和3D增益方向图

8单元圆极化阵列天线系统初始结构如图7所示，设计的天线系统由8个完全相同的阵列天线和馈电网络组成。采用同轴线底馈方式，把两组4单元阵列的间距D作为参数仿真优化，初始D取28mm，仿真优化D范围20～40mm，间隔4mm。仿真后得到如下结果：所有反射系数都满足规定范围达到-10db以下，其中间距D为28mm和32mm的阵列天线谐振频率为5.85GHz，反射系数最小，离设计要求的5.8GHz最接近。

图7 8单元圆极化阵列天线图和3D增益方向图

根据实验设计、执行、分析及解释数据4个方面对学生项目设计能力进行评量，其中A级(90-100分)为非常满意，要求实验设计方案正确，能达到实验目的；实验执行能熟练掌握实验设备的选择、使用和执行程序，能取得正确、有现实意义的实验结果；实验分析能对该有的运算及分析工具都能理解，且所有的计算都能正确的执行及记录；实验解析数据能理解并正确分析所有重要的实验结果。根据4个方面掌握情况分别评量学生成绩等级，OBE教学项目天线测试原理如图8所示。教师制定每周需要完成相应内容的进度表，每周教师检查每组的进度，解答学生疑问，指导学生课后调研讨论，进行程序设计与调试，加工测试，最终提交一份设计报告，并完成答辩。

图8 OBE教学项目天线测试原理图

天线项目化实验教学让学生熟悉项目开发流程，使学生对天线课程的理论知识能够全面有机地结合起来，并通过项目设计使理论知识得以巩固、充实和提高。使学生较系统地掌握并熟练使用项目开发的软硬件平台，具备产品设计的初步能力。培养学生团队协作、资料查阅、自主学习能力，提高学生制图、制板和加工测试等基本技能，培养学生对工程技术问题严肃认真和负责任的态度。

3 结语

本文提出的OBE天线教学，把理论教学和仿真实验教学有效结合起来，加深学生对射频和天线理论的理解。通过电磁仿真训练，学生们充分了解自己所学的知识、应用领域、应用前景等，从项目分析、方案制定、匹配电路设计、仿真调试、实物制作到产品评价等环节全方位开展实验教学，增强了对专业技术的认识，从而激发敬业精神。鼓励学生自己动手利用HFSS和微波电路CAD等设计天线，以团队合作方式解决工程实践天线问题，把课堂理论学习和工程实践有机结合起来。