Ansoft HFSS在天饋系統教學實訓中的應用

吳香林　余小蘭　劉大良

[摘 要] 針對目前高職院校狠抓教學改革，提高學生動手能力的問題，提出項目式教學模式，加強課程與工作之間的相關性。應用Ansoft HFSS 15軟件分析、設計、仿真螺旋天線進行實例，代替抽象指標分析和天線實操教學模式，達到原理可視化、模型動態化、資源集約化的目的。此教學模式對高職學生動手解決天饋系統工程實施及維護方面問題的能力得到了提升。

[關 鍵 詞] HFSS；螺旋天線；課程改革；方向圖

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）31-0017-03

天線在各種無線通信系統中都是必不可少的組成部分。用來發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換，又稱為能量轉換器。通常我們把發射機或接收機與天線連接起來的系統稱為饋線系統，由于饋線系統和天線的聯系非常密切，因此我們把天線和饋線系統看成一個元件，統稱為天線饋線系統，簡稱天饋系統。天饋系統是用來接收和發射網絡信號的裝置。天饋系統的應用及其廣發，如2G/3G/4G移動通信、電視、Wifi、雷達、導航、氣象等領域。天饋系統技術是高職院校移動通信技術專業的一門基礎課，本文應用Ansoft HFSS仿真軟件結合項目式教學模式進行本門課程的實訓內容教學，達到了良好的教學效果，顯著提升了高職學生對天饋系統的探究興趣，為進一步學習移動通信系統打下了堅實的基礎。

一、HFSS軟件介紹

HFSS是高頻結構仿真器（ High Frequency Structure Simulator）

的縮寫，是美國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、精確自適應的求解方式、擁有強大的后處理器來分析天線的電性能，能計算任意形狀三維無源結構的S參數和駐波比等參量值。HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，它可以虛擬天線模型，設置天線輸入參數，模擬實際通信場景下的天線輸出參量，如駐波比、方向性、輻射場3D增益圖、E/H面的方向增益圖等，幫助學生高效地設計各種高頻天線結構，從而達到快速驗證理論，降低實體天線設計成本，縮短天線設計周期的目的。Ansoft HFSS是當今無線通信系統中天線設計最流行的軟件之一。使用Ansoft HFSS仿真軟件設計、繪制螺旋天線的流程圖如圖1所示：

二、教學仿真實例——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有關，當螺旋線的圓周長比一個波長小很多時，輻射最強的方向垂直于螺旋軸；當螺旋線圓周長比一個波長大很多時，最強輻射方向出現在螺旋軸上。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對稱金屬臂組成時，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點，故目前的應用越來越廣泛。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是對應于φ=0°的矢徑；α是決定螺旋線張開快慢的一個參量，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計天線，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償的結構，稱為自補結構。其天線的阻抗特性為一純電阻，與頻率無關。其阻抗方程如式（3）所示：

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

（三）仿真結果

實際工程測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來表征。本實例的仿真參數中的電阻值設為188.5Ohms，求解中心頻率為2.4GHz，快速線性掃頻范圍為1.5GHz到6GHz，最大迭代次數為65，最大誤差為0.001。經分析求解S Parameters參數圖如圖4所示，天線面電流分布如圖5所示。調整參數優化后設置offset=5.2mm，諧振長度$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、結束語

本文應用HFSS仿真軟件將螺旋天線的遠區輻射場清晰地表達出來，由仿真效果圖可清楚地判斷出3D模型空間各點輻射場的強弱，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，將教學中一些天線的重點優化指標進行數字化體現，因此更進一步加深了學生對螺旋天線性能參數的理解。

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