CST微波工作室在高增益平...反射阵天线实验教学中的应用_张盼盼.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 042CST 微波工作室在高增益平面反射阵天线实验教学中的应用张盼盼1，陶正壮2，郭艳艳1，肖凌峰2，朱熙铖2(1 南京邮电大学 电子与光学工程、柔性电子(未来技术)学院，南京 210003;2 南京信息工程大学 电子与信息工程学院，南京 210044)摘要:在天线理论与技术课程教学中，天线的基本概念和工作原理较为复杂抽象，且天线的实验验证及性能测试依赖价格昂贵的微波测试仪器及微波暗室等条件，尤其是高增益天线由于其电尺寸较大、仿真难度也较大。针对课程现存的这些教学难点，介绍了 CST 微波工作室在高增益天线设计实验教学中的应用。以一个24 GHz 高增益反射阵天线为教学案例，通过软件的应用使学生掌握天线手动建模、VB 宏语言自动化建模、2D/3D 天线方向图查看、天线辐射效率计算等教学内容。同理论教学相比，基于 CST 微波工作室的实验教学环节可有效地将天线设计过程形象化、案例化，使得“天线理论与技术”课程教学更具说服力，提高课程的教学效果和专业水平。关键词:高增益天线;反射阵天线;电磁仿真;实验课程中图分类号:TN 95文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0204 05收稿日期:2022-06-28基金项目:国家自然科学基金项目(61701249，62071238);江苏省自然科学基金项目(BK20160959，BK20191399);教育部产学合作协同育人项目(201701013005)作者简介:张盼盼(1985 )，女，江苏徐州人，博士，讲师，主要从事天线技术、射频前端和雷达系统的教学和研究。Tel:[phone];E-mail:zhangpp njupt edu cnApplication of CST Electromagnetic Simulation Technology inthe Experimental Teaching of High-Gain eflectarray Antenna DesignZHANG Panpan1，TAO Zhengzhuang2，GUO Yanyan1，XIAO Lingfeng2，ZHU Xicheng2(1 College of Electronic and Optical Engineering College of Flexible Electronics;Nanjing University of Posts andTelecommunications，Nanjing 210003，China;2 College of Electronic and Information Engineering，NanjingUniversity of Information Science Technology，Nanjing 210044，China)Abstract:The basic concept and working principle of the antenna are usually very complexMeanwhile，theperformance measurement and experimental verification of the antenna need expensive microwave measurementinstruments and microwave anechoic chambers In particular，the simulation of the high-gain antenna is difficult due toits large electrical size In view of these difficulties in the course of antenna theory and techniques，this paper describesthe application of CST Microwave Studio in the experimental course of high-gain reflective array antenna design Throughtaking the design of a 24 GHz high-gain reflective array antenna as an experimental case，the students could have a goodgrasp of manual antenna modeling，automatic antenna modeling using VB macro language，and vividly view antennapattern and master antenna radiation efficiency calculation Compared with the theoretical teaching，the experimentalcourse based on the CST Microwave Studio can effectively makes the teaching more convincing It could improve theteaching efficiency and professional level of the course of antenna theory and techniquesKey words:high-gain antenna;reflectarray antenna;electromagnetic simulation;experiment course第 2 期张盼盼，等:CST 微波工作室在高增益平面反射阵天线实验教学中的应用0引言天线通常是无线通信、雷达探测等应用领域不可或缺的射频前端重要组成部分之一，其主要功能是将传输线上的导引电磁波和自由空间中传播的平面电磁波进行相互转换1-2。由于应用领域和性能要求的不同，天线形式不尽相同，譬如有:波导喇叭、微带贴片、透镜、透射阵、反射面和反射阵等形式的天线。在远距离无线通信、雷达探测、气象监测、射电天文等应用领域，通常要求天线具有较高的增益(譬如天线增益大于25 dBi)1-2。平面反射阵天线作为高增益天线的一个重要形式，自 20 世纪 90 年代被提出以来一直被学术界和工业界广泛关注3，平面反射阵天线通过利用一组平面相移单元对馈源发出的球面电磁波进行相位补偿，使其转化为平面电磁波。平面反射阵天线有效地结合了传统抛物面反射天线和阵列天线的优点，具有高增益、高效率和低成本等特点。CST(Computer Simulation Technology，CST)微波工作室作为一款常见的商用全波电磁仿真软件，采用先进的电磁场全波电磁仿真算法如:有限积分法(Finite Integral Technology)，对麦克斯韦积分方程进行离散化及迭代求解4。相比于矩量法和有限元法等在同等网格数量情况下有限积分法所需的计算量和内存空间较少。目前，CST 微波工作室已被广泛应用于大尺寸天线及目标雷达反射截面等的仿真和设计。针对目前天线理论与技术 课程教学中涉及高增益天线的仿真设计及相关实验较少的情况5-11，本文应用 CST 微波工作室实现高增益反射阵天线的设计与仿真，构建了包括天线手动建模、VB(VisualBasic，VB)宏语言自动化建模、2D/3D 天线方向图的查看、天线辐射效率计算等内容的实验教学，探索天线理论与技术 的实验教学新途径。1CST 微波工作室CST 微波工作室是专用于微波无源器件及天线设计与分析的软件包，是一种以麦克斯韦方程组为框架，结合计算机技术为电磁仿真开发的通用计算平台软件。它集成了多个时域和频域全波电磁算法，主要包括时域有限积分、频域有限积分、频域有限元等。CST微波工作室广泛应用于通用高频无源器件仿真，非常适用于天线、滤波器、传输线等器件的设计和分析。在 天线理论与技术 课程的实验教学中，通过应用商用电磁仿真软件 CST 微波工作室对平面反射阵天线进行建模和仿真，以 2D/3D 的图形直观形象地展示出天线的结构形式和工作特性，为理解和掌握高增益天线的理论知识和设计方法提供了有力的帮助。2平面反射阵天线的工作原理平面反射阵天线的整体结构如图 1 所示。图 1平面反射阵天线结构与电磁波传播路线示意图平面反射阵天线主要由馈源天线和反射面所构成12-14。馈源天线可采用喇叭等形式天线，通常置于反射面的上方。反射面由一组二维平面相位补偿单元所组成，结构可选用金属贴片形式。平面反射阵天线采用空间馈电形式，由馈源天线发出的球面电磁波传至平面反射阵天线的反射面。馈源天线到各相位补偿单元有着不同的波程，即传播至各补偿单元的电磁波存在一定的相位差。通过调节反射面单元贴片的结构参数，使得平面反射阵天线的相位补偿单元具有合适的相位补偿功能，将入射波转换为平面电磁波，即将馈源辐射的球面波转换为具有高定向性的辐射波束。由阵列天线理论可知，为使天线波束指向(r，r)，平面反射阵上的相位 分布需满足(xi，yi)=k0 xisin rcos r k0yisin rsin r(1)式中:k0为自由空间的传播常数;(xi，yi)为第 i 个相位补偿单元的坐标位置。与此同时，由馈源天线辐射的电磁波到达平面反射阵天线相位补偿单元 i 的相位分布s(xi，yi)=k0di(2)式中，di为馈源天线到相位补偿单元 i 的距离。因而，平面反射阵单元所需的补偿相位 i应满足i=k0 di(xicos r+yisin r)sin r(3)通常，馈源天线位于反射面主轴焦点位置，且天线出射波束指向沿着正 z 轴，此时相应的相位补偿 i可简化为:i=2F01 cos icos ii=arcsin(ri/F)ri=x2i+y2i(4)式中:ri为相位补偿单元(xi，yi)距离反射阵轴心的距离;i为电磁波传播路径与主轴之间的夹角;F 为平面502第 42 卷反射阵天线焦距;0为入射波在自由空间中的波长。3平面反射阵天线的设计建模与仿真3 1平面反射阵天线相位补偿单元平面反射阵天线的反射面主要由成百上千个相位补偿单元组成，不同的相位补偿单元对应着不同的相位补偿值，根据式(3)进行合适的相位补偿可得高增益天线辐射波束。反射面相位补偿单元的基本结构如图 2 所示。(a)俯视图(b)侧视图图 2相位补偿单元的结构示意图其主要由顶层方形贴片、介质基片(采用 ogers5880厚度 h=0 76 mm，相对介电常数 r=2 2，损耗正切tan =0 000 9)以及底层金属地组成。主反射面相位补偿单元的分析方法为:假设单元置于均匀无限的二维周期阵列中，通过 CST 微波工作室频域求解器(Frequency Domain Solver)计算其在平面电磁波入射情况下反射波的幅度和相位。相位补偿单元尺寸 p 选为 5 mm。由于金属地的存在，入射电磁波几乎会发生全反射，相应的反射系数在较宽的频率范围均接近 0 dB，但反射波的相位通常随着贴片尺寸L 的改变会有较显著的变化。图 3 给出了 24 GHz 频率处相位补偿值 随着金属贴片尺寸 L 的变化情况，可观察到相位补偿范围可达 289，通过采用相位补偿间隔 45的形式，选择 8 组不同尺寸 L 的贴片来实现 0 360相位补偿，具体方形贴片尺寸 L 取值见表 1。图 3补偿相位值 与方形贴片尺寸 L 的关系表 1相位补偿与方形贴片尺寸 L相位补偿范围/()L/mm相位补偿范围/()L/mm0 4545180 2253145 9038225 2702990 13535270 31525135 18033315 360153 2馈源天线的设计馈源天线是平面反射阵天线的重要组成部分之一，它将来自馈线的信号以空间馈电形式加载至反射面上。馈源天线作为初级馈源，其辐射特性对平面反射阵天线的整体性能有着较大的影响，所以需要选择合适的馈源天线15-16。本教学案例采用学生熟悉的矩形波导喇叭天线作为馈源天线，其中喇叭天线开口尺寸为 20 mm 15 mm，馈电采用标准矩形波导 W-34，天线总高度为 36 mm。由于矩形波导喇叭天线结构简单，可采用手动天线建模形式完成。利用 CST 微波工作室时域求解器(Time DomainSolver)对喇叭天线进行仿真计算。天线增益 G 与驻波系数 S11如图 4 所示。图 4馈源天线的天线增益 G 和驻波系数 S11仿真由图 4 可见，在 20 28 GHz 频率范围内，驻波系数维持在 17 3 dB 以下。喇叭天线增益介于 11 5 14 dBi 之间。图5 给出了喇叭天线 24 GHz 处辐射方向图，天线E 面和 H 面的 10 dB 波束宽度均约为 72，副瓣电平均低于 18 3 dB。可见馈源天线具有较低的幅度不均匀损耗(Amplitude Taper Loss)和溢出损耗(Spillover图 524 GHz 馈源天线辐射方向图602第 2 期张盼盼，等:CST 微波工作室在高增益平面反射阵天线实验教学中的应用Loss)，这将有利于提高平面反射阵天线整体的口径效率。3 3平面反射阵天线的建模与仿真Visual Basic for Application 是一种 Visual Basic(VB)宏语言，提供了面向对象的程序设计方法，是一种可视化、采用事件驱动的结构化高级程序设计语言，具有高效率、简单易学等特点。在 CST 微波工作室，采用 VB 宏语言建模可有效地避免手动天线建模可能存在的主观错误，同时极大地缩短天线的建模时间。因此 VB 宏语言建模具有快速、准确、自动等优点。平面反射阵天线采用 30 30 个相位补偿单元，其反射面直径 D=150 mm，焦距 F=150 mm，即焦径比F/D=1。依据馈源与各相位补偿单元的不同位置关系，可确定各相位补偿单元的相位补偿值。考虑到平面反射阵天线反射面的相位补偿单元众多，可采用 VB宏语言完成自动建模。模型整体结构如图 6 所示。(a)立体图(b)俯视图图 6平面反射阵整体结构模型可见，反射面的相位变化较为平坦，且补偿相位值分布沿 X 轴和 Y 轴方向呈对称分布，馈源位于反射面中心正上方位置。考虑到平面反射阵天线电尺寸较大(约 150150，0为电磁波在自由空间的波长)，采用 CST 微波工作室时域求解器对平面反射阵天线整体进行仿真。图 7 给出了天线在 22、24 和 26 GHz 频率处的辐射方向图，天线辐射方向图基本保持稳定，均具有良好的方向性和较高的增益。此外，天线 E 面和 H 面的 3dB 波束宽度均约为4 4，且天线的副瓣电平均被抑制在 13 3 dB 以下。图 8 为 24 GHz 平面反射阵天线 3D 辐射方向图，图像直观地反映了天线的辐射性能。图 9 为平面反射阵天线整体的回波损耗 S11仿真结果，在 20 28 GHz 频率范围驻波系数均低于 10 0dB，天线总体匹配良好。同时，图 9 也给出了平面反射阵天线增益仿真结果随频率变化的曲线，由图中可见，平面反射阵天线的 3 dB 增益频率范围为 21 26GHz，相对带宽约为 21 3%。可见，平面反射阵天线具有高增益辐射波束和较宽的工作频率范围等特性。图 7平面反射阵天线在不同频率处的 2D 辐射方向图仿真结果图 824 GHz 平面反射阵天线 3D 辐射方向图仿真结果图 9平面反射阵天线的增益 G 与驻波系数 S11的仿真结果702第 42 卷平面反射阵天线的口径效率=G/Dmax式中:Dmax=4A/20为天线的最大定向性;A 为反射面的面积;G 为天线增益。表 2 给出了平面反射阵天线的口径效率，可见天线在21 26 GHz 频率范围均具有较高的口径效率。表 2天线口径效率及 3 dB 波束宽度f/GHz/%3 dB 波束宽度/()f/GHz/%3 dB 波束宽度/()20356522543 34321511492623 64322586482712 6422365546287 63824592444结语目前国内大、中专院校的天线理论与技术 课程中天线的概念通常较为抽象且复杂，此外天线实验验证因为需要昂贵的测试设备而难以开展。针对这些教学难点，本文以一个高增益平面反射阵天线为例详细介绍了 CST 微波工作室在高增益天线设计中的应用，探索一条高效、简明、可视化的天线实验教学新途径。通过 CST 微波工作室在课程教学中的应用，以 2D/3D的图形直观形象地展示出天线的结构形式和工作特性，这将有助于加深师生对天线理论的认识和提高学生的天线设计能力。参考文献(eferences):1Pozar D M 微波工程 M 北京:电子工业出版社，20192Kraus J D，Marhefka J 天线M 北京:电子工业出版社，20113Pozar D M，Metzler T A Analysis of a reflectarray antenna usingmicrostrip patches of variable sizeJ Electron Lett，1993，29(8):657-6584张敏 CST 微波工作室用户全书M 成都:电子科技大学出版社，20045冉小英，于臻，徐幸秋 仿铜钱草结构多频带天线设计J实验室研究与探索，2020，39(4):86-906于臻，李尧，林梓恒，等 一种用于移动终端的仿“山”字形分形微带天线的设计 J 实验室研究与探索，2021，40(9):125-1287刘筠筠，张军 一种新型柔性微带天线的制备与性能测试 J 实验室研究与探索，2021，40(12):37-398朱磊，董亮，冯双，等 基于创新能力培养的射频技术与天线课程教学改革 J 高师理科学刊，2021，41(5):91-949邢蕾，孔祥鲲，徐千 理论分析与电磁仿真结合的微波器件设计教学J 实验技术与管理，2019，36(3):140-145 10孔祥鲲，邢蕾 CST 电磁仿真技术在天线实验教学中的应用 J 实验技术与管理，2017，34(11):118-120 11安娜，刘起坤，张德伟 天线阵的方向性仿真教学实践J电气电子教学学报，2021，43(6):179-182 12Chang D C，Huang M C Microstrip reflectarray antenna with offsetfeedJ Electronic Letters，1992，28(16):1489-1491 13Huang J，Encinar 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