CST仿真软件在天线综合设计实验教学中的应用

霍佳璐

(重庆移通学院 公共大数据安全技术重庆市重点实验室,重庆 401520)

0 引言

在新工科背景下,为提高学生的综合能力,各大高校全方面整合资源,专研更多交互式教学范式,各类“线上+线下”交互学习方式层出不穷[1]。简单的“线上”讲、“线下”做并无法满足工科专业培养目标要求,这一点在毕业生应具备并应实现的职业能力与成就上尤为突出[2]。

天线工程师这一职位是电子信息类专业本科生梦寐以求的理想岗位之一,扎实的理论功底、精通电磁仿真软件、熟练使用各类微波测试仪器是基本要求,具有一定天线设计能力和职商的人更受企业青睐。“电磁波与电磁场”素来以内容抽象、公式烦琐、计算复杂号称,并一度成为学生口中的“老大难”,也是教师眼中的“硬骨头”[3]。大多数实验仪器较为昂贵,操作难度高,测量环境要求苛刻,在本科阶段开展存在较多不可控因素,这也成为诸多高校未能全面开展天线或微波类硬件实验的主要因素[4]。

天线综合设计实验借助CST仿真软件实现典型天线的设计与分析,将抽象难以理解的理论知识转换成直观且易于识别的1 D、2D、3 D视图,从视觉上刺激学生神经,加深理论知识的立体认识,巩固学习效果[5]。多次典型天线设计与分析的复现,在提高学生理论认知、数据分析比对能力的同时,注重锻炼其操作仿真能力,加深对CST类仿真软件的熟悉度。天线综合设计实验最后是团队协作创新型天线设计项目,采用合作学习形式,实现自主式探索创新设计,扩展学生思维,全面培养学生自学能力,强化学生创新意识,磨炼团队协作技巧,达到技术、职商双提升的效果。这正是在HOPE教育教学理念的外在体现。

本文根据实验培养目标较为详尽地介绍了电磁仿真软件在实验原理辅助理解、天线设计和数据分析等方面的应用情况,并以半波偶极子天线、微带天线的设计复现为案例。

1 天线综合设计实验

天线综合设计实验通过多项典型天线设计的复现,反复训练,使学生将天线设计的原理、CST仿真软件操作的要点从头脑记忆转变成肌肉记忆。本实验教学采用互联网交互式教学,利用当下较火的腾讯会议、QQ课堂、钉钉等直播平台进行讲授与互动,并基于CST电磁仿真软件进行仿真实现[6]。

天线综合设计实验由5个阶段组成,分别为CST电磁仿真软件介绍、天线设计预备知识介绍、典型天线设计实验项目、综合天线设计实验项目、项目路演及答辩。具体教学设计如图1所示。

图1 教学总体设计

天线设计预备知识涉及经典电磁理论、天线设计理论两方面,前者包含经典麦克斯韦方程组的推导与解析、电磁波在介质中的传输特性分析、传输线的特性分析、波导理论等基础的原理性知识,后者含有天线的辐射原理、天线的基本参数、波束扫描、天线阵等理论知识。

在经典天线设计实验项目中,每个项目所涉及的重难点知识、工程要点均穿插到项目中讲解,加深理论认识。以微带天线设计为例,理论内容将以微带天线设计的5项基本问题展开,即阻抗、相速、损耗、色散、功率,最终落脚到设计,再利用微带传输线设计天线。

综合天线设计实验项目,学生自行组队,从实验项目库中选题或自拟项目,利用所学知识创新设计天线,讨论设计方向,制作方案雏形,利用CST仿真和数据分析,最终进行项目路演及答辩。

2 微带天线设计与仿真实验

微带天线的设计一般分为微带分析与微带综合两部分。微带分析通过理论知识讲解,同学们可建立基础知识体系。微带综合问题的求解,需要在微带谐振频率、相对介电常数、高度的已知条件下求解微带天线尺寸。本实验以矩形微带天线设计为例,此处微带天线的尺寸具体指矩形微带天线的长度、宽度[7]。

矩形微带天线的设计包括:矩形贴片设计、侧馈式馈深度设计。

(1)矩形贴片设计。

矩形微带天线矩形贴片的设计涉及以下4个参数:辐射元的宽度W、定高介质基片的有效介电常数εre、等效缝隙宽度ΔL、辐射元的物理长度L。现省略推导过程,4个参数的应用公式分别为:

(2)

(3)

(4)

(5)

上述公式中,c为光速;fr为介电材料的工作频率;εr为介电材料的相对介电常数;h为给定介质层厚度。

(2)侧馈式馈深度设计。

本实验矩形微带天线采用标准微带天线侧馈方式,其馈深度设计利用以下4组公式完成,分别为:

(6)

(7)

(8)

(9)

公式(7)(8)分别用于计算不考虑、考虑缝隙互耦时情况的导纳,结合公式(6)与公式(9)算出满足50 Ω匹配特性的实际微带天线插入深度值。

在参数确定后根据图2完成建模。根据CST的天线设计流程对其进行仿真,调整参数,达到最优水平。如图3所示,优化后的参数实现了天线的工作频率为f=5.5 GHz的设计。图4为在5.5 GHz频点处天线的1 D增益方向,通过对图4的直观分析,提高学生分析能力、深化理论认识。该优化后的仿真结果达到预期设计要求,符合项目标准。

图2 矩形微带天线设计(左：Top view 右：Side view)

图3 参数优化后的S-Parameters

图4 在5.5 GHz频点处天线的1D增益方向

学生通过6项典型基本天线的设计、仿真、优化已具有一定工程设计思路。学生可将遇到的设计问题及解决方案分享至在线学习平台进行项目分享,与他人共勉。同时,教师可将典型工程问题汇总以供学生借鉴学习[9]。综合设计实验时,学生以实际工程项目流程为线,组建团队协作设计,并将设计思路、方案、仿真资料整理成册,最终以路演形式答辩演示,路演过程将制作成导学录像,传至教学平台。对于创新型天线设计,将包装为创新创业项目用于孵化与落地。

3 结语

实践教学表明,开展天线综合设计实验可以充分调动学生学习主动性,在深度、广度、创新度上都有所提升。实验的实施步骤包括理论知识串烧、典型天线设计复现、自主探索创新设计、项目路演及答辩。实验循序渐进,由浅入深,由理论到实践,通过协作、路演锻炼学生有效沟通表达等职场必备技能,使学生全面立体理解理论知识,激发学习兴趣,培养终身学习意识,构建科研思维。