Ansoft HFSS在天饋系統(tǒng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

吳香林　余小蘭　劉大良

[摘 要] 針對(duì)目前高職院校狠抓教學(xué)改革，提高學(xué)生動(dòng)手能力的問題，提出項(xiàng)目式教學(xué)模式，加強(qiáng)課程與工作之間的相關(guān)性。應(yīng)用Ansoft HFSS 15軟件分析、設(shè)計(jì)、仿真螺旋天線進(jìn)行實(shí)例，代替抽象指標(biāo)分析和天線實(shí)操教學(xué)模式，達(dá)到原理可視化、模型動(dòng)態(tài)化、資源集約化的目的。此教學(xué)模式對(duì)高職學(xué)生動(dòng)手解決天饋系統(tǒng)工程實(shí)施及維護(hù)方面問題的能力得到了提升。

[關(guān) 鍵 詞] HFSS；螺旋天線；課程改革；方向圖

[中圖分類號(hào)] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2016）31-0017-03

天線在各種無線通信系統(tǒng)中都是必不可少的組成部分。用來發(fā)射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線的主要功能是完成高頻電流與空間無線電波之間的能量轉(zhuǎn)換，又稱為能量轉(zhuǎn)換器。通常我們把發(fā)射機(jī)或接收機(jī)與天線連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)，由于饋線系統(tǒng)和天線的聯(lián)系非常密切，因此我們把天線和饋線系統(tǒng)看成一個(gè)元件，統(tǒng)稱為天線饋線系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱天饋系統(tǒng)。天饋系統(tǒng)是用來接收和發(fā)射網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的裝置。天饋系統(tǒng)的應(yīng)用及其廣發(fā)，如2G/3G/4G移動(dòng)通信、電視、Wifi、雷達(dá)、導(dǎo)航、氣象等領(lǐng)域。天饋系統(tǒng)技術(shù)是高職院校移動(dòng)通信技術(shù)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，本文應(yīng)用Ansoft HFSS仿真軟件結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)模式進(jìn)行本門課程的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容教學(xué)，達(dá)到了良好的教學(xué)效果，顯著提升了高職學(xué)生對(duì)天饋系統(tǒng)的探究興趣，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)移動(dòng)通信系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、HFSS軟件介紹

HFSS是高頻結(jié)構(gòu)仿真器（ High Frequency Structure Simulator）

的縮寫，是美國(guó)Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件。Ansoft HFSS提供了極高的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、精確自適應(yīng)的求解方式、擁有強(qiáng)大的后處理器來分析天線的電性能，能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和駐波比等參量值。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以虛擬天線模型，設(shè)置天線輸入?yún)?shù)，模擬實(shí)際通信場(chǎng)景下的天線輸出參量，如駐波比、方向性、輻射場(chǎng)3D增益圖、E/H面的方向增益圖等，幫助學(xué)生高效地設(shè)計(jì)各種高頻天線結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到快速驗(yàn)證理論，降低實(shí)體天線設(shè)計(jì)成本，縮短天線設(shè)計(jì)周期的目的。Ansoft HFSS是當(dāng)今無線通信系統(tǒng)中天線設(shè)計(jì)最流行的軟件之一。使用Ansoft HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)、繪制螺旋天線的流程圖如圖1所示：

二、教學(xué)仿真實(shí)例——螺旋天線

（一）螺旋天線

螺旋天線（helical antenna）是一種外形具有螺旋形狀的天線。螺旋天線的輻射方向分布與螺旋線圓周長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)螺旋線的圓周長(zhǎng)比一個(gè)波長(zhǎng)小很多時(shí)，輻射最強(qiáng)的方向垂直于螺旋軸；當(dāng)螺旋線圓周長(zhǎng)比一個(gè)波長(zhǎng)大很多時(shí)，最強(qiáng)輻射方向出現(xiàn)在螺旋軸上。其中平面等角螺旋天線的最大輻射方向是在平面兩邊的法向方向上，并輻射圓極化波。

平面等角螺旋天線若按角度條件由兩個(gè)對(duì)稱金屬臂組成時(shí)，它可看成是一條變形的傳輸線。由于這種天線的外形只由角度決定，不包含線性長(zhǎng)度，因而天線的特性不受頻率變化的影響，故具有極寬的頻帶。因螺旋天線具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效率高以及可以嵌裝的優(yōu)點(diǎn)，故目前的應(yīng)用越來越廣泛。通常螺旋天線的饋電方法采用無限巴倫裝置作為饋電方式。

式中，r0是對(duì)應(yīng)于φ=0°的矢徑；α是決定螺旋線張開快慢的一個(gè)參量，稱為螺旋率。天線的工作頻帶由截止半徑r0和天線的最外緣的半徑r決定。通常取一圈半螺旋來設(shè)計(jì)天線，即外徑r=r0*eα*3π。若以α=0.221代入，可得r=8.03*r0，則工作帶寬在8倍頻程以上。

平面等角螺旋天線的兩臂具有互相補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)，稱為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。其天線的阻抗特性為一純電阻，與頻率無關(guān)。其阻抗方程如式（3）所示：

根據(jù)上述原理方程，使用HFSS軟件繪制螺旋天線，創(chuàng)建空氣盒，填充材質(zhì)為真空，并將其設(shè)為輻射邊界條件；選中本模型中螺旋平面中心處上表面，設(shè)置其上表面的饋電方式為集總端口激勵(lì)，其設(shè)置激勵(lì)源模型如圖2所示。本例中螺旋天線完整的仿真模型如圖3所示。

（三）仿真結(jié)果

實(shí)際工程測(cè)試中天線的性能主要由天線方向圖、駐波比及回波損耗等參數(shù)來表征。本實(shí)例的仿真參數(shù)中的電阻值設(shè)為188.5Ohms，求解中心頻率為2.4GHz，快速線性掃頻范圍為1.5GHz到6GHz，最大迭代次數(shù)為65，最大誤差為0.001。經(jīng)分析求解S Parameters參數(shù)圖如圖4所示，天線面電流分布如圖5所示。調(diào)整參數(shù)優(yōu)化后設(shè)置offset=5.2mm，諧振長(zhǎng)度$L=13.43mm，得到該螺旋天線的最大增益為8.33dB，該螺旋天線3D增益方向圖如圖6所示，2D增益方向圖如圖7所示。

三、結(jié)束語

本文應(yīng)用HFSS仿真軟件將螺旋天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)清晰地表達(dá)出來，由仿真效果圖可清楚地判斷出3D模型空間各點(diǎn)輻射場(chǎng)的強(qiáng)弱，較直觀地獲取天線的增益值，可視化地觀察了螺旋天線的方向圖，將教學(xué)中一些天線的重點(diǎn)優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化體現(xiàn)，因此更進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)螺旋天線性能參數(shù)的理解。

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