基于HFSS的物聯(lián)網(wǎng)課程中天線的實踐教學(xué)

陳書文 周近 李國豪

摘? 要： 擬將HFSS電磁仿真軟件引入物聯(lián)網(wǎng)天線的教學(xué)來替代實物實驗。這樣可以略去搭建實驗環(huán)境的工程操作細(xì)節(jié)，有利于精準(zhǔn)掌握天線理論的重要概念及相關(guān)參數(shù)意義，不失為高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗改革的新思路。該方法的優(yōu)點是，實驗者通過軟件可以較快地仿真出各種常用天線結(jié)構(gòu)的回波損耗、電壓駐波比、輸入阻抗，并能可視化地獲取天線的方向圖和電流分布圖。不僅節(jié)約了實驗設(shè)備資源、提高教學(xué)效果，還調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。結(jié)果表明，該方法對提升學(xué)生的實踐教學(xué)效果有巨大的促進作用。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); 實驗教學(xué); 虛擬仿真; 天線

中圖分類號：TP391.7? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）07-59-03

Abstract： In this paper， HFSS electromagnetic simulation software is introduced into the practical teaching of antenna course to replace the specific physical experiment. In this way， engineering details of setting up the experimental environment can be omitted， and the important concepts and relevant parameters of antenna theory can be accurately grasped， which can be regarded as a new idea for the experiment reform of IoT engineering specialty in colleges. The advantage of this method is， the experimenter can relatively quickly get return loss， voltage standing wave ratio， input impedance of all kinds of antenna structure by HFSS， and can visually get antenna gain pattern and current distribution， which not only saves laboratory resources， improves the teaching effect， but also arouses the students' learning interest. The results show that this method can promote the effect of practical teaching greatly.

Key words： Internet of Things; experiment teaching; virtual simulation; antenna

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)課程中天線[1]的教學(xué)內(nèi)容包括：電磁輻射理論、各類常見天線的工作原理與電磁特性分析等。眾所周知，電磁場中的電場矢量和磁場矢量都滿足Maxwell偏微分方程組[2]，求解非常復(fù)雜，一般需要學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ);另一方面，由于矢量結(jié)果缺乏直觀視圖，空間想象力較弱的學(xué)生則普遍理解困難。從實踐教學(xué)資源上看，傳統(tǒng)天線測量系統(tǒng)[3]的建設(shè)和使用成本較高，且設(shè)備操作頻繁，易于損壞，這對于教學(xué)經(jīng)費相對緊張的高校，也不適合大規(guī)模本科生的培養(yǎng)。

實驗教學(xué)中，如果利用Ansoft公司的HFSS電磁仿真軟件[4]進行天線的設(shè)計與仿真，則能很好地解決上述矛盾。此仿真平臺是基于有限元（FEM）的三維電磁仿真軟件，采用成熟穩(wěn)定的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，全波分析任意形狀的三維無源結(jié)構(gòu)的電磁特性，如天線的方向性系數(shù)、輸入阻抗、電壓駐波比等。此外，軟件還具有強大的數(shù)據(jù)后處理能力，如電磁場可視化[5]，即以圖形或動畫的方式展現(xiàn)電、磁場的空間分布及目標(biāo)上的電流強度和走向。這樣，抽象的實驗形象化，且理論與實踐相結(jié)合不僅加深了學(xué)生對課堂知識的理解，還提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率。本文以半波偶極子天線、微帶貼片天線的教學(xué)為例，介紹HFSS仿真軟件在天線實驗課程中的應(yīng)用。

1 HFSS在半波偶極子天線實驗中的應(yīng)用

半波偶極子天線由兩根直徑、長度都相等的直導(dǎo)線組成，如圖1所示。每根導(dǎo)線長度為1/4個工作波長，激勵端口為電壓激勵，天線對稱雙臂上的電流分布用以下公式表達(dá)以上電場、磁場矢量表達(dá)式較為抽象、復(fù)雜，不直觀，學(xué)生不易理解。下面利用HFSS軟件仿真，研究天線的輻射場，以及其他重要特性。天線三維建模如圖1所示，半波偶極子天線材質(zhì)設(shè)為理想導(dǎo)體，工作波長為100mm。天線總長度，即雙臂長度之和，為0.5個波長，雙臂的橫截面圓的半徑設(shè)置為0.5mm。仿真時需注意天線饋電采用集總端口的激勵方式，吸收邊界條件為輻射條件，求解頻率設(shè)置在3.0GHz。仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2回波損耗（S11參數(shù)）曲線可以看出，天線的工作頻率在諧振點3.0GHz。天線的阻抗匹配工作需要消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。從圖3輸入阻抗曲線可以看出，天線的在3.0GHz工作頻點的輸入阻抗實部為50歐姆，虛部為零。圖4非常直觀地顯示了偶極子天線的3D輻射方向圖，可以看出xoy平面上有天線的最大輻射方向，與理論上的方向因子函數(shù)完全吻合。

首先是建立天線模型，根據(jù)估算公式，設(shè)置輻射貼片長度為30.2mm，寬度為37.3mm，介質(zhì)基片材料選為環(huán)氧樹脂板，厚度設(shè)為1.6mm，相對介電常數(shù)為4.4。把介質(zhì)基片的底面設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界，然后建立距離輻射體不小于1/4個工作波長的吸收邊界。最后設(shè)置求解的中心頻率為2.45GHz，同時添加1.5GHz～3.5GHz的掃頻設(shè)置，啟動仿真。從圖6的S11參數(shù)掃頻結(jié)果可以看出，當(dāng)金屬貼片長度為28mm時，天線的諧振頻率落在2.45GHz，滿足設(shè)計指標(biāo)。此時，微帶天線的二維和三維的輻射特性如圖7、圖8所示，可以看出z+方向是天線的最大輻射方向。

仿真實驗結(jié)果驗證了貼片天線理論的正確性。學(xué)生如果感興趣，還可以利用課余時間，自主研究天線的貼片寬度、基片的相對介電常數(shù)等參數(shù)對諧振頻點的影響情況，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高教學(xué)效果。

3 結(jié)論

以仿真軟件為手段的天線與微波電路設(shè)計方法，已廣泛應(yīng)用于科研與電子工業(yè)之中。利用仿真軟件進行本科生的專業(yè)教學(xué)，能讓學(xué)生盡早地掌握本行業(yè)流行軟件的使用方法，與工業(yè)界無縫對接。這是高校產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的重要途徑和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的內(nèi)在要求。用基于Ansoft公司的HFSS軟件，本文以半波偶極子天線和微帶貼片天線的設(shè)計為例，介紹了相關(guān)知識的仿真教學(xué)過程，驗證了相關(guān)理論的正確性。此方法有利于加深學(xué)生對課堂知識的理解，讓學(xué)生初步掌握常用天線的設(shè)計方法。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)射頻識別核心技術(shù)詳解（第三版）[M].人民郵電出版社，2016.

[2] John D. Kraus.天線（第三版）[M].電子工業(yè)出版社，2006.

[3] Thomas A. Milligan.現(xiàn)代天線設(shè)計（第二版）[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計從入門到精通[M].人民郵電出版社，2008.