基于HFSS仿真的設(shè)計(jì)型天線實(shí)驗(yàn)的研究

程春霞 孫文方 蘇博

摘要：基于HFSS（High Frequency Structure Simulator）仿真軟件設(shè)計(jì)了微帶天線的仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程，有效地避免了實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中相互抄襲的問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立研究的能力，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)不僅加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，而且使學(xué)生熟悉了常用射頻、天線工程設(shè)計(jì)軟件，增加了學(xué)生工作和深造的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：HFSS；設(shè)計(jì)型；實(shí)驗(yàn)研究；天線

中圖分類號(hào)：G482 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）23-0276-03

無(wú)線通信、射頻識(shí)別已經(jīng)滲透到民用、國(guó)防的各個(gè)方面，而天線是這些系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備，因此也就需要了解天線結(jié)構(gòu)和原理并能將其應(yīng)用于具體的工程。天線理論的基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論，其數(shù)值求解過(guò)程非常復(fù)雜，同時(shí)它又與工程聯(lián)系緊密，必須配合必要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能培養(yǎng)出兼具理論知識(shí)和工程實(shí)踐能力的人才。

由于傳統(tǒng)的天線實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備昂貴，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求較高，因此大多數(shù)高校的天線實(shí)驗(yàn)是測(cè)量天線特性的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)[1，2]，而在研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電磁仿真軟件HFSS、CST、Microwave office等已成為重要的設(shè)計(jì)工具，為了滿足工程設(shè)計(jì)的需求，很多高校開設(shè)了天線的仿真實(shí)驗(yàn)[3-9]。

HFSS是使用較早而且用戶較多的一款全波三維電磁仿真軟件，該軟件的仿真模型可以直接導(dǎo)出加工，可以計(jì)算天線的回波損耗、駐波比、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖、輸入阻抗等參數(shù)[10]。本文利用HFSS軟件進(jìn)行天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)避免仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生相互抄襲，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考核，使每一位學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)都能加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解、熟悉常用工程設(shè)計(jì)軟件，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)由教師提出微帶天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)，學(xué)生根據(jù)指標(biāo)完成從理論設(shè)計(jì)到仿真調(diào)試的過(guò)程。

為了便于后面擴(kuò)展到實(shí)物加工調(diào)試，微帶天線的介質(zhì)板選用介電常數(shù)2.2，介質(zhì)厚度1.2mm，尺寸150mm×150mm；為了防止學(xué)生之間互相抄襲，每位學(xué)生所設(shè)計(jì)天線的中心頻率（單位MHz）與自己的學(xué)號(hào)和所在的班級(jí)相關(guān)，本屆學(xué)生共有三個(gè)小班，分別為11、21和29班，11班的中心頻率為f0-11=2000-10×n11（n11為11班學(xué)生學(xué)號(hào)的最后兩位），21班的中心頻率為f0-21=2000+10×n21（n21為21班學(xué)生學(xué)號(hào)的最后兩位），29班的中心頻率為f0-29=2000+10×n21max+10×n29（n21max為21班學(xué)生的總?cè)藬?shù)，n29為29班學(xué)生學(xué)號(hào)的最后兩位）；相對(duì)帶寬（S11<-10dB）大于0.6%。

實(shí)驗(yàn)步驟為：（1）學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成微帶天線的理論設(shè)計(jì)，并提交理論設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果，理論設(shè)計(jì)作為最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)的一部分。（2）根據(jù)理論設(shè)計(jì)在仿真軟件中進(jìn)行建模并調(diào)試，調(diào)試過(guò)程記錄各個(gè)參數(shù)的變化對(duì)天線性能的影響，并從理論上進(jìn)行分析。（3）按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

二、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

下面以中心頻率2000MHz的天線為例來(lái)介紹設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程。

1.理論計(jì)算。理論計(jì)算是微帶天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的第一步，其輻射貼片（如圖1所示）的寬邊、長(zhǎng)邊、輸入阻抗的計(jì)算公式如下[11，12]。

W=L=-2ΔL （1）

Z=，W≤λ，W≥λ （2）

其中，W和L分別為輻射貼片的寬度和長(zhǎng)度，c為光速，f0為天線的中心頻率，εe和ΔL可由下面兩個(gè)式子計(jì)算。

εe=+1+12 （3）

ΔL=0.412h （4）

通信系統(tǒng)的輸入阻抗一般為50Ω，但是微帶天線輻射貼片的輸入阻抗Zin≠50Ω，因此需要把輻射貼片的輸入阻抗變換到50Ω，這就需要用到理論課中講到的阻抗匹配的相關(guān)內(nèi)容，常用的阻抗匹配有單枝節(jié)匹配、雙枝節(jié)匹配、λ/4阻抗變換器等方法，單枝節(jié)匹配和λ/4阻抗變換器是兩種比較簡(jiǎn)單的阻抗匹配方法，可以任選一個(gè)來(lái)把微帶天線的輸入阻抗變換到50Ω。我們這里用λ/4阻抗變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。w2為50Ω微帶線的線寬，w1為阻抗變換器的線寬，l1為阻抗變換器的線長(zhǎng)，可以借助一些小軟件（比如TXLINE）來(lái)計(jì)算這四個(gè)參數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)介電常數(shù)εr=2.2、介質(zhì)厚度h=1.2mm、中心頻率f0=2000MHz，由（1）—（4）式計(jì)算出W=59.3mm、L=50.0mm、Zin=288Ω，阻抗變換器的阻抗Z1==120Ω，利用TXLINE計(jì)算得到w1=0.7mm、l1=28.3mm、w2=3.7mm。

由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中每一位學(xué)生所要實(shí)現(xiàn)的天線中心頻率都不相同，因此理論計(jì)算的輻射貼片和匹配器的尺寸各不相同，所以每一位學(xué)生都必須掌握微帶天線的理論，熟悉并會(huì)運(yùn)用理論計(jì)算的基本公式，這就有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和能動(dòng)性。

2.仿真調(diào)試。仿真調(diào)試是微帶天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的第二步，根據(jù)前面的理論計(jì)算結(jié)果在HFSS中建模，如圖3所示。

仿真得到此時(shí)微帶天線饋電端口的反射系數(shù)S11，如圖4所示。從圖4中可以看出此時(shí)天線的諧振頻率為1960MHz，低于要求的諧振頻率，根據(jù)微帶天線的輻射原理我們可以知道，輻射貼片的L與其諧振頻率的關(guān)系密切，L越小諧振頻率越高，因此可以改變L來(lái)驗(yàn)證理論分析；而阻抗變換器所起的作用是把輻射貼片的輸入阻抗變換到50Ω，完全匹配時(shí)端口反射系數(shù)應(yīng)該是-∞dB，所以可以改變w1、l1來(lái)使諧振點(diǎn)S11的值最小。

微帶天線的端口反射系數(shù)S11隨L、w1、l1變化的規(guī)律如圖5所示。從圖5可以看出其變化規(guī)律與前面的理論分析一致，通過(guò)仿真調(diào)試過(guò)程加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解，使學(xué)生對(duì)參數(shù)變化對(duì)S11的影響印象深刻，同時(shí)也為天線實(shí)物的調(diào)試打下了基礎(chǔ)，積累了經(jīng)驗(yàn)。

由圖5確定仿真調(diào)試后微帶天線的最終尺寸為：L=49mm、w1=0.8mm、l1=26mm，其他尺寸與理論計(jì)算值一致。此時(shí)，阻抗帶寬0.9%，滿足實(shí)驗(yàn)要求的相對(duì)帶寬（S11<-10dB）大于0.6%。

該天線端口的輸入阻抗、輻射方向如圖6—8所示。由圖6可知該天線的端口輸入阻抗近似為50Ω。圖7驗(yàn)證了微帶天線的輻射為上半空間，該天線的最大增益為8.2dB。由圖8得到該天線的E面和H面半功率波瓣寬度均為72°。

上述仿真調(diào)試過(guò)程及最終設(shè)計(jì)天線的指標(biāo)必須在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中進(jìn)行詳細(xì)的描述，在評(píng)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)有嚴(yán)格的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

三、結(jié)語(yǔ)

將電磁仿真軟件HFSS引入到天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使每一位學(xué)生都必須理解微帶天線的設(shè)計(jì)原理，都能獨(dú)立的設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試微帶天線，有效的避免了仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中相互抄襲的問(wèn)題，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。通過(guò)直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和調(diào)試過(guò)程加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，使學(xué)生熟悉了常用射頻、天線工程設(shè)計(jì)軟件的使用和工程設(shè)計(jì)時(shí)的調(diào)試過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫使學(xué)生熟悉研究論文的寫作要求，對(duì)學(xué)生今后工作、學(xué)習(xí)中總結(jié)研究成果，撰寫相關(guān)的總結(jié)報(bào)告、科技論文都有一定的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭輝萍，曹洪龍，劉學(xué)觀.微波技術(shù)與天線（第三版）學(xué)習(xí)指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)教程[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

[2]張?zhí)m，田茂，李曉榮，等.微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2012，（S2）：197-200.

[3]陳曉輝，郭欣欣，裴進(jìn)明.Ansoft HFSS在微波技術(shù)與天線教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2015，（299）：70-72.

[4]房少軍，傅世強(qiáng)，李嬋娟.創(chuàng)新設(shè)計(jì)性天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015，13（2）：74-76.

[5]張照鋒，譚立容，袁迎春.基于HFSS仿真的“電波與天線”課程改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（2）：60-62.

[6]曲樂(lè)樂(lè)，楊天虹，張麗麗，等.基于HFSS仿真軟件的天線實(shí)驗(yàn)課程研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（7）：129-132.

[7]傅世強(qiáng)，李嬋娟，房少軍.射頻微波與天線類課程綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（11）：204-207.

[8]汪濤，毛劍波，劉士興，等.天線仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（12）：89-93.

[9]李嬋娟，傅世強(qiáng)，房少軍.天線與電磁場(chǎng)課程綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2016，14（2）：1-3.

[10]李明洋，劉敏.HFSS天線設(shè)計(jì)[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[11]雷振亞.微波工程導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[12]范壽康，李進(jìn)，胡容，等.微波技術(shù)、微波電路及天線[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.