HFSS在微波天線教學(xué)中的應(yīng)用

李云瀟

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 泰安271018)

加強(qiáng)HFSS仿真軟件在微波天線中的應(yīng)用正當(dāng)其時(shí)。多年來,隨著通信技術(shù)發(fā)展,微波低頻段的頻譜干擾日趨嚴(yán)重,逐漸不能滿足人們?nèi)粘５耐ㄐ判枨?。毫米波不僅頻帶寬,而且具有傳輸速度快、通信安全性高、傳輸質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),極大地彌補(bǔ)了微波低頻傳輸?shù)娜秉c(diǎn),因而學(xué)界愈加關(guān)注頻譜資源豐富的毫米波頻段[1-2]。在通信工程領(lǐng)域,微波技術(shù)與天線是相關(guān)學(xué)科學(xué)生的重要課程,主要涵蓋電磁場(chǎng)、電磁波相關(guān)知識(shí),但其內(nèi)容較為抽象、公式相對(duì)繁雜,尤其是微波天線的工作過程難以演示,相關(guān)內(nèi)容長(zhǎng)期以來是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)[3]。

本研究著眼的HFSS(全稱為仿真軟件HFSS),可以有效地解決內(nèi)容抽象、公式難以理解等問題,且便于隨堂演示,適合學(xué)生就仿真微波天線工作過程進(jìn)行實(shí)操實(shí)踐。

1 教學(xué)中的常見問題

在以往教學(xué)中,由于常見的微波天線規(guī)格十分微小,課堂上難以實(shí)現(xiàn)微小器件工作原理的演示,而操作試驗(yàn)箱大概率出現(xiàn)明顯誤差現(xiàn)象。相較與此,HFSS在模型建立過程中,大小、尺寸易于設(shè)置,邊界條件添加方便,參數(shù)修訂靈活,適合模擬天線類小尺寸器件,學(xué)生經(jīng)簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后便可熟練掌握。在實(shí)驗(yàn)過程中,HFSS可采用三維視角操作,產(chǎn)生圖像立體直觀、精準(zhǔn)度高、嚴(yán)謹(jǐn)客觀、色彩鮮明,且能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)演示。因而在理論學(xué)習(xí)的過程中借助仿真軟件HFSS不失為輔助教學(xué)的良好方案。

本課題還了解到,教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了若干使用HFSS不便的情況。例如HFSS適合波長(zhǎng)等于電器尺寸的仿真,如仿真分布參數(shù)電路,但部分課程還會(huì)涉及集總參數(shù)電路,該電路中的R(電阻)C(電容)L(電感)等器件波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于電系統(tǒng)的實(shí)際尺寸,單純依靠HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)繁瑣、過程復(fù)雜,完成困難度較高。經(jīng)過研究,現(xiàn)已能采取多種方式加以克服,一是利用阻抗邊界條件,將其邊界設(shè)置LumpRLC,一邊默認(rèn)為直接與地面連接,便可以簡(jiǎn)易地承擔(dān)集總參數(shù)的仿真；二是配合使用專門適合仿真集總參數(shù)電路的仿真軟件,如ADS仿真軟件,運(yùn)用多系統(tǒng)配合達(dá)到更好的效果。

半波偶極子天線是一種經(jīng)典的基本線天線,業(yè)界使用極為廣泛,本課題將實(shí)驗(yàn)中常用的電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS應(yīng)用到微波天線的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,以半波偶極子天線的仿真過程為例,介紹設(shè)置參數(shù)、模型建立、數(shù)據(jù)處理、圖形建立等主要方面的情況。

2 設(shè)置參數(shù)

半波偶極子天線由兩根直徑和長(zhǎng)度都相等的直導(dǎo)線組成,每根導(dǎo)線的長(zhǎng)度為1/4個(gè)工作波長(zhǎng)。本課題設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為3GHz的半波偶極子天線,其HFSS設(shè)計(jì)模型如圖1所示。天線沿著z軸方向放置,天線材質(zhì)使用理想導(dǎo)體,中心位于坐標(biāo)原點(diǎn),總長(zhǎng)度為0.48 λ,半徑為λ/200。天線饋電采用集總端口激勵(lì)方式,端口距離為0.24 mm,輻射邊界和天線的距離為1/4波長(zhǎng)[4]。

在建立圖形前可先在仿真軟件菜單欄中點(diǎn)擊HFSS下的Design Properties里進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置,參數(shù)可以自行設(shè)置其長(zhǎng)度、單位,如實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置過少允許隨時(shí)增添參數(shù),在教學(xué)實(shí)踐中還可以鼓勵(lì)學(xué)生自己為系統(tǒng)命名。多數(shù)情況下,實(shí)驗(yàn)開始之后需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù),定義一些基本的長(zhǎng)度單位并賦予其初值,在后面的天線尺寸的設(shè)計(jì)中可以直接使用符號(hào)調(diào)用。

3 模型建立

3.1 建立偶極子天線模型

HFSS中創(chuàng)建圖形允許采用拖拽的方式,菜單中已經(jīng)給出了正方體、長(zhǎng)方體、圓柱、圓形、正六邊形等常見的,基本二維、三維圖形。創(chuàng)建圖形完畢,需設(shè)置圖形的大小和坐標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了圓柱形空氣柱和中心導(dǎo)體片(如圖1)。

圖1 空氣柱中的偶極子天線

在半波偶極子天線的仿真過程中,引入坐標(biāo)軸復(fù)制的方法,可有效的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟,創(chuàng)建一個(gè)1/4波長(zhǎng)的天線臂后并將其沿y軸旋轉(zhuǎn)180°可復(fù)制生成另一個(gè)偶極子天線的臂。

3.2 設(shè)置端口激勵(lì)

本實(shí)驗(yàn)使用帶內(nèi)阻的電壓源集的總端口激勵(lì)來計(jì)算端口間的散射參數(shù)。集總端口激勵(lì)是HFSS中最常用的激勵(lì)方式之一,它與波端口不同是集總端口可以設(shè)置在物體模型內(nèi)部,在使用之前需要設(shè)定端口阻抗,集總端口激勵(lì)直接在端口處計(jì)算s參數(shù),設(shè)定的端口阻抗即為集總端口上s參數(shù)的參考阻抗[5]。

半波偶極子天線的仿真過程中選擇一個(gè)矩形平面作為供電裝置,將矩形激勵(lì)端口平面設(shè)置為平行于yz平面并放在兩個(gè)天線臂的中間位置,該矩形面需要把偶極子天線的兩個(gè)臂連接起來。

4 數(shù)據(jù)處理

HFSS擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,仿真分析完成后在數(shù)據(jù)處理部分能夠給出天線的各項(xiàng)性能參數(shù)的仿真分析結(jié)果,如回波損耗、輸人阻抗與駐波比。

4.1 回波損耗S11

圖2是半波偶極子天線的回波損耗與頻率的關(guān)系曲線,從分析結(jié)果可以看出回波損耗最小值約為-46.8 dB,設(shè)計(jì)的偶極子天線中心頻率約為3GHz,最低點(diǎn)橫坐標(biāo)的值與我們所設(shè)定的頻率非常接近,相對(duì)帶寬的公式如下:

圖2 S11的掃頻分析結(jié)果

4.2 輸入阻抗與駐波比

阻抗匹配的好壞與天線等微波器件的性能密切相關(guān),在天線調(diào)試時(shí)阻抗匹配對(duì)系統(tǒng)性能影響較大,若果匹配不當(dāng),會(huì)造成信號(hào)反射回源點(diǎn)的情況,從而降低天線的傳輸功率和器件性能甚至損壞器件[6]。要使天線輻射效率高,就必須使電纜線與天線良好地匹配,使輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗,才能使天線獲得最大功率[7]。

輸入阻抗的一般公式為[8]:

Rin包含輻射電阻Rr和導(dǎo)體損耗所產(chǎn)生的導(dǎo)體電阻Rσ,對(duì)良導(dǎo)體而言導(dǎo)體電阻可以被忽略,此時(shí)實(shí)部電阻僅包含輻射電阻即為:

在半波偶極子天線中輻射電阻可以近似認(rèn)為是輸入電阻。綜合以上的分析,對(duì)于半波偶極子天線而言,輻射功率為:

輸入阻抗可以近似為:

從圖3中可以看出,設(shè)計(jì)的半波偶極子天線在中心頻率為3GHz上,輻射電阻為72.8 Ω與式(6)計(jì)算出的理論值Rr十分接近。

圖3 半波偶極子天線的輸入阻抗仿真結(jié)果

5 圖形建立

天線輻射的理論是抽象的,輻射能量的傳輸方式——電磁場(chǎng)是看不見摸不著的,學(xué)生往往難以直觀加以認(rèn)識(shí)[9]。HFSS建立的立體圖像層次分明、色彩鮮艷,具有很強(qiáng)的視覺層次感,能妥善彌補(bǔ)這一不足。

天線的方向圖是指天線一定距離處,輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)隨方向變化的曲線圖表征天線輻射特性與空間角度關(guān)系的圖形[10]。半波偶極子立體方向圖是以兩天線之間的中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn),在半徑足夠大的球面上測(cè)定其每一個(gè)點(diǎn)的輻射特性繪制而成,其形狀像一個(gè)紅蘋果。圖4顯示的是半波偶極子在xz面增益方向圖和xy面增益方向圖。

圖4 半波偶極子xz面和xy面增益方向圖

不僅是天線,用HFSS的仿真波導(dǎo)中電場(chǎng)幅度瞬時(shí)值同樣可以實(shí)現(xiàn)。圖5是創(chuàng)建好的匹配雙T,在仿真軟件中可以設(shè)置時(shí)間動(dòng)態(tài)循環(huán)場(chǎng)分布圖,觀看匹配雙T場(chǎng)覆蓋的動(dòng)態(tài)變化,這有助于使學(xué)生更直觀的理解電場(chǎng)在容器內(nèi)的變化情況。

圖5 魔T場(chǎng)覆蓋圖隨時(shí)間變化后的魔T場(chǎng)覆蓋圖

在匹配雙T具有對(duì)口隔離,臨口完全匹配的關(guān)系,可以給任意一個(gè)端口輸入激勵(lì)來觀察其它三個(gè)端口的輸出情況,在三維圖中可以清晰地看到每一個(gè)端口的變化情況,更有助于學(xué)生理解匹配雙T的構(gòu)造。

6 結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)的微波天線的仿真過程中,HFSS展現(xiàn)出其易于實(shí)操的特點(diǎn),教學(xué)過程中加以應(yīng)用,可以根據(jù)半波偶極子天線的特性設(shè)置其數(shù)值,可以拖拽、簡(jiǎn)化圖形,相較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的瑣碎步驟,有助于更快的建立數(shù)據(jù),搭建仿真時(shí)所需的環(huán)境,更加貼合課堂需求。

從回波損耗、輸入阻抗、駐波比、史密斯圓圖中可以看到,HFSS可以提供很多天線參數(shù),能定量表征其能量轉(zhuǎn)換和定向輻射能力的量。在圖3所示的半波偶極子天線的輸入阻抗結(jié)果報(bào)告中,能夠得出其輻射電阻真實(shí)值與理論值相近,具有較高的精準(zhǔn)度。

HFSS仿真過程中建立的三維圖像具有立體、直觀的特點(diǎn),能夠給讀者留下更深刻的印象,無論是半波偶極子天線三維增益方向圖還是匹配雙T場(chǎng)覆蓋圖都能很好的展示其電場(chǎng)幅度的分布狀況,有助于操作者將實(shí)踐與理論知識(shí)加以聯(lián)系。

HFSS仿真軟件將理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式,能夠有效地增補(bǔ)傳統(tǒng)微波、電磁波等課程理論抽象,公式晦澀的缺陷,有助于提高課程效率,提高學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性。