超材料技术在天线设计实验教学改革中的应用

卞立安 王垚锟 李丹琳 洪颖杰 黄楷程 刘雨

摘  要：为了增强天线课程的时代性并提高学生学习天线的兴趣，将超材料技术引入到天线设计实验教学中。通过构建LOGO贴片天线、卡通型反射阵天线和圆环超材料喇叭天线仿真平台，学生不仅能够加深对三类基本天线工作原理的理解而且能够初步了解超材料技术的强大功能。由于超材料图案具有天然的艺术美，所以学生在仿真超材料天线时可感受到科学与艺术的相融性，这有利于培养学生的科学审美能力。

关键词：超材料技术  天线设计  实验教学改革  科学审美能力

中图分类号：TN820;G642.0              文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0236-03

Application of Metamaterial Technology in Experiment Teaching Reform of Antenna Design

BIAN Li'an*  WANG Yaokun  LI Danlin  HONG Yingjie  HUANG Kaicheng  LIU Yu

（Changsha University of Science and Technology， Changsha， Hunan Province， 410114 China）

Abstract： In order to strengthen the contemporary style of antenna course and then improve the students' interest in learning antenna， the metamaterial technology is introduced into the experimental teaching of antenna design. By structuring the simulation platform of logo patch antenna， cartoon reflective array antenna and ring metamaterial horn antenna， the students can not only deepen their understanding of the working principles of three kinds of basic antennas， but also preliminarily understand the powerful functions of metamaterial technology. Thanks to the natural artistic beauty of metamaterial pattern， students can feel the integration of science and art when they simulate the metamaterial antenna， which is conducive to cultivate students' scientific aesthetic ability.

Key Words： Metamaterial technology; Antenna design; Experiment teaching reform; Scientific aesthetic ability

天线作为射频通信系统的前门起着收发电磁信号的作用。本科专业课程《天线原理与设计》肩负着培养未来天线开发工程师的任务。该课程具有理论抽象且实验测试难以开展的特点，学生普遍感觉无所适从。此外，天线种类繁多，包括偶极子天线、喇叭天线、螺旋天线、贴片天线、反射器天线等，这进一步增加了学生掌握天线基本原理的难度。基于上述情形，各大高校纷纷进行了天线课程教学改革研究[1-3]。其中，一种重要手段是引入电磁仿真软件，如HFSS和CST。仿真平台的搭建大大提高了天线原理验证与设计的效率，能够直观地查看天线的回波损耗、方向图以及表面电流分布等重要参数。

然而，仿真实验中更多地强调天线的工作原理，且天线形式陈旧，课程的趣味性和时代性并没有得到提高，以至学生的学习动力没有显著增强，甚至一些同学对软件操作不熟悉反而进一步降低了学习热情。因此，如何提高天线设计实验的趣味性是当前天线类课程应亟需解决的问题。超材料作为一种人工电磁媒质能够呈现出传统材料所不具备的电磁特性，可有目的性地对电磁波实施操控。将超材料技术应用到天线设计中能够有效改变天线的辐射性能。例如，南京理工大学在微带天线上刻蚀“工”字型图案实现了天线的小型化[4];曲阜师范大学通过加载折射率为零的复合方环超材料改善了Vivaldi天线异面易形成柱面波的缺陷而提高了天線增益[5];东南大学对超材料进行编码设计了数字编码天线实现了对波束数目的灵活控制[6];贵州大学通过加载零介电常数超材料提高了太赫兹贴片天线的增益[7]。

鉴于超材料技术在天线设计中的巨大应用潜力，本教学改革将通过构建LOGO贴片天线、超表面反射阵天线和超材料喇叭天线仿真平台来切实提高学生对天线基本原理的理解、增强课程的趣味度及拓宽课程内容的前沿性，使学生在学习科学知识的同时感受科学与艺术的融合，体会科学研究之美。

1  仿真平台构建

超材料的形式变化多端，引入所有典型超材料来设计天线教学实验并不现实。因此，实验中将重点引入“王”字LOGO贴片天线、卡通型超材料反射阵天线、多圆环周期超材料加载的喇叭天线。通过3个实验项目的练习，学生能够加强对贴片天线、反射型天线和喇叭天线辐射原理的理解。

1.1 贴片天线

贴片天线在天线家族中占有非常重要的地位，其由两上下个金属薄板夹介质层构成。由于这类天线具有尺寸小、工艺简单、成本低等优势，所以被广泛用于无线通信、航空航天等领域。为了提高学生学习贴片天线的动力，设计了图1所示的带有“王”字超材料图案的贴片单元。“王”字的引入改变了原有贴片的电流流通路径以至有效更改了天线的辐射频带。通过设计合理的尺寸参数，可以实现Wi-fi双频辐射。学生通过改变“王”字三横一竖的长和宽能够调节天线的工作频带。在贴片上刻蚀其他汉字，观察天线回波损耗、带宽及方向图的变化，学生能够感受到超材料技术的神奇。

1.2 卡通型超材料反射阵天线

通过馈源天线照射反射阵能够调节电磁波的辐射方向和极化方式。图2显示了经过二值化处理得到的一卡通图案，该图案构成反射超材料。二值处理图案单元数目会比较大，这可能导致仿真时间过长。通过稀疏处理能够删减单元数目，仿真中可对比满单元和稀疏单元对应天线辐射性能的区别。使用不同的卡通图案能够形成不同功能的超材料反射板。实验中，学生可使用自己的微信头像或互换微信头像来构造卡通超材料反射阵，观察并总结天线性能的差异。卡通图案的引入必将大大提高学生参与实验的积极性，给原本枯燥的天线课堂带来崭新的活力。学生还可将长沙理工大学校徽制作成超材料反射阵，充分体验DIY的乐趣。

1.3 超材料加载的喇叭天线

由于喇叭天线具有频带宽、功率容量大、定向性好等特点，因此其在军事和民用上被广泛应用。图3给出了圆环周期超材料加载的TEM喇叭天线。每个超材料单元由一个大圆环嵌套3个小圆环构成，而喇叭天线具有渐变的张口。由于TEM喇叭支持超宽带辐射，所以工作中很可能与现实环境下的窄带通信相互干扰，那么喇叭天线就应该具有带陷特性。圆环型超材料板具有空间滤波的作用，在一定频带处喇叭天线辐射的电磁波将不能通过超材料板而被反射回去。这样，在频谱上宽的辐射带具有带陷点。改变嵌套圆环的数量和尺寸能够调节带陷点的个数和位置。实验中，学生也可将圆环变为方环或其他形状，挖掘超材料板的功能。同时，带陷型频谱亦能启发学生辩证地思考问题，不盲目地追求绝对的宽带或窄带辐射，而在矛盾的对立中寻求统一。

2  实施方法

安排学生预先学习仿真软件相关教学书籍或视频教程，掌握天线仿真的基本流程。

了解超材料有关知识，对超材料的构造方法和用途有必要的认知。

掌握贴片天线、反射阵天线、喇叭天线的工作原理，理解衡量天线性能优劣的技术指标。

利用已经构建好的仿真平台观察仿真结果，解释实验现象。

更改结构关键参数，重新分析天线辐射性能，解释指标参数变化的原因。

尝试构建新的超材料模型，感受不同图案的艺术之美，观察不同超材料间功能的差异。

3  预期效果

（1）了解当前主流电磁仿真软件的开发依然由国外企业主导，增强自主创新的使命感。

（2）加深对天线基本理论、基本分析方法的理解，提高根据目标性能参数设计实用天线的能力。

（3）了解超材料技术的发展方向，掌握超材料基本原理，能够构造简单功能的超材料结构。

（4）设计功能丰富的超材料天线，鼓励学生参加大学生电子设计大赛或创新创业大赛。

（5）引导有兴趣的学生开展更加深入的研究，报考电磁场与微波技术方向研究生。

（6）体会科学与艺术的相融性，提高科学审美的能力，培养从哲学层面领悟科学的魅力。

4  结语

本文通过分析当前天线课程中面临的现实问题将超材料技术引入到天线实验教学改革中。利用超材料加载的贴片天线、反射阵天线和喇叭天线来构建仿真实验平台，帮助学生理解不同天线的辐射原理，理清不同類型天线间的联系与区别。由于超材料是一种具有特定电磁功能的图案，其本身便展现出极强的艺术美。因此，基于超材料技术来开展天线实验教学必然增强学生的好奇心，极大提高学生的学习热情。基于同样的目的，在课时允许的条件下还将开设可穿戴天线和液体天线仿真实验。

参考文献

[1] 屈乐乐，杨天虹，张丽丽，等.基于HFSS仿真软件的天线实验课程研究[J].实验技术与管理，2016，33（7）：129-132.

[2] 王佩，贺华，陈改革.基于Quest的天线制造过程三维虚拟仿真实验[J].实验技术与管理，2019，36（3）：159-164.

[3] 傅世强，李婵娟，房少军.微带天线阵的设计与实验教学研究[J].电气电子教学学报，2017，39（5）：126-129.

[4] 王倩，刘景萍.基于人工电磁结构的小型化宽带微带天线设计[J].微波学报，2017（s1）：38-42.

[5] 张月，井甜甜，杨君，等.基于超材料的高增益对拓Vivaldi天线设计[J].通信技术，2018，51（12）：2861-2865.

[6] Liu S， Cui T J， Xu Q， et al. Anisotropic coding metamaterials and their powerful manipulation of differently polarized terahertz waves [J]. Light： Science & Applications， 2016，5：1-11.

[7] Cheng C， Lu Y F， Zhang D B， et al. Gain enhancement of terahertz patch antennas by coating epsilon-near-zero metamaterials [J]. Superlattices and Microstructures， 2020，139：106390.