基于HFSS仿真軟件的天線實驗課程研究

屈樂樂, 楊天虹, 張麗麗, 李玉峰

(沈陽航空航天大學 電子信息工程學院, 遼寧 沈陽　110136)

?

基于HFSS仿真軟件的天線實驗課程研究

屈樂樂, 楊天虹, 張麗麗, 李玉峰

(沈陽航空航天大學 電子信息工程學院, 遼寧 沈陽110136)

針對目前高校在天線實驗教學中實踐環(huán)節(jié)開設(shè)不充分的問題,通過基于HFSS電磁仿真軟件的對稱振子天線和喇叭天線的仿真設(shè)計實例,提出采用HFSS仿真軟件代替天線實物教學的實驗課程改革,通過仿真得到天線的回波損耗、電壓駐波比、輸入阻抗及方向圖,達到了節(jié)省設(shè)備資源、提高教學效果、調(diào)動學生興趣的目的。該教學方法的實際教學效果表明,引入仿真實驗對學生實踐能力的提升起到了良好作用。

天線實驗教學； 仿真實驗；HFSS

天線是無線電系統(tǒng)中不可或缺的部分,對天線進行理論分析和實際應(yīng)用是電子信息工程、通信工程等專業(yè)的學生必須具備的能力[1-3]。傳統(tǒng)的天線課程教學由于條件受限,主要以介紹天線理論為主,就是在特定的邊界條件下求解麥克斯韋方程,但由于理論推導多、物理概念多、所需數(shù)學知識多,教學效果不能使人滿意。為了使學生更好地掌握課堂教學內(nèi)容,在實驗教學中增加利用電磁仿真軟件進行天線仿真設(shè)計的內(nèi)容,可以讓學生形象、直觀地感知天線的輻射情況,有效地提升學生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、分析問題與解決問題的能力[4-10]。本文提出將HFSS軟件引入天線課程的實驗教學中,通過學生對工作于同一頻率的兩款天線進行仿真設(shè)計,加深學生對天線性能參數(shù)的理解,提高天線課程的教學效果[11]。

1　HFSS簡介

HFSS軟件是一款最早引入我國,也是國內(nèi)用戶較多的全波三維電磁仿真軟件。利用HFSS對天線進行建模,經(jīng)計算可得出回波損耗、駐波比、遠場輻射方向圖、輸入阻抗等一系列天線性能參數(shù)[12]。該軟件采用有限元法,集計算電磁學、數(shù)學分析、虛擬實驗方法于一體,成為目前國際上天線應(yīng)用分析和工程設(shè)計所使用的主流軟件。工程實踐表明,HFSS軟件的仿真結(jié)果與真實天線的實測結(jié)果基本吻合。由于真實天線的制作與測試耗時長、費用高,而借助電磁仿真技術(shù)可節(jié)約設(shè)計成本、提高設(shè)計精度和效率。通過學習HFSS軟件,可以讓學生掌握電磁仿真軟件的使用方法,更好地理解天線理論中的相關(guān)知識,提高學生的天線設(shè)計能力,為他們更好地適應(yīng)行業(yè)需求奠定堅實的基礎(chǔ)。

2　天線仿真實驗內(nèi)容設(shè)置

在學生掌握典型天線的基本理論和設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,讓學生利用HFSS軟件對工作頻率為2.45GHz的對稱振子天線和喇叭天線分別進行仿真設(shè)計,并對仿真結(jié)果進行分析、比較,可以加深學生對基本概念的理解,提高學生的學習興趣。

2.1對稱振子天線

對稱振子天線是一種結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛的典型線天線[1]。對稱振子輻射場可由電基本振子輻射場積分得到,其電參數(shù)也可通過數(shù)值計算求得。但是,由于計算過于繁瑣、表達式過于復雜,使得學生對其輻射特性的理解略有欠缺。通過仿真實驗可形象地展示該天線的結(jié)構(gòu)及電參數(shù)。

選定天線為半波振子,其總長為0.48λ,根據(jù)天線的中心工作頻率可得到天線的全長為58.8mm,半徑取0.6mm。仿真模型如圖1所示。

圖1　半波振子HFSS仿真模型

利用HFSS對半波振子進行仿真,可以得到天線的回波損耗(S11)、電壓駐波比(VSWR)、輸入阻抗(Zin)及方向圖,各個參數(shù)的仿真結(jié)果如圖2—圖7所示。由仿真結(jié)果可知按照參數(shù)進行設(shè)計的半波振子天線,其中心頻率為2.45GHz,阻抗帶寬為377MHz,輸入阻抗為(73.65-j0.57)Ω,天線的E面方向圖呈“∞”型,主瓣寬度為77.53°,H面方向圖有較好的全向輻射,天線的增益為2.48dB。

圖2　半波振子天線回波損耗仿真結(jié)果

圖3　半波振子天線電壓駐波比仿真結(jié)果

圖4　半波振子天線輸入阻抗仿真結(jié)果

圖5　半波振子天線E面方向圖

圖6　半波振子天線H面方向圖

圖7　半波振子天線三維方向圖

2.2喇叭天線

喇叭天線是由波導逐漸張開所形成的一類最簡單、最實用的面天線,其增益較高、方向性較強。按口面形狀,喇叭天線大體可分為矩形喇叭和圓喇叭兩類[11-12]。由于喇叭天線的橫截面逐漸變大,不但使天線開口口面增大,增加了輻射的方向性,而且使沿線特性阻抗由原來在開口處突變而轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛兓?減小了開口處的反射。

選定矩形喇叭天線進行仿真實驗。該天線的設(shè)計需按照最佳喇叭的設(shè)計方法,以使其在節(jié)省空間和材料的同時達到最大增益。傳統(tǒng)的天線教學只是在給定指標情況下進行天線尺寸的計算,無法驗證設(shè)計的優(yōu)劣,引入仿真實驗后,學生可以通過仿真結(jié)果直觀地驗證設(shè)計的合理性并隨時進行調(diào)整。

根據(jù)天線中心工作頻率2.45GHz,增益不小于20dB,采用50Ω同軸饋電的技術(shù)指標,確定喇叭天線各部分尺寸參數(shù)如表1所示,仿真模型如圖8所示。

表1　喇叭天線各部分尺寸　cm

圖8　喇叭天線HFSS仿真模型

利用HFSS仿真,可以得到喇叭天線的相關(guān)電參數(shù),仿真結(jié)果分別如圖9—圖13所示。由仿真結(jié)果可知：喇叭天線在2.45GHz對應(yīng)回波損耗為-21.75dB,阻抗帶寬為785MHz,輸入阻抗為(44.28-j5.8)Ω,天線的增益達到20.83dB,滿足增益大于20dB的要求。輻射主要集中在喇叭天線口面軸線附近。

圖9　矩形喇叭天線回波損耗仿真結(jié)果

圖10　矩形喇叭天線電壓駐波比仿真結(jié)果

圖11　矩形喇叭天線輸入阻抗仿真結(jié)果

圖12　矩形喇叭天線E面及H面增益方向圖

圖13　矩形喇叭天線三維方向圖

學生通過對喇叭天線與對稱振子天線的仿真結(jié)果進行比較,可知二者在具有相同的中心工作頻率時,喇叭天線的主瓣更窄、增益更高,具有較強的方向性,并且其帶寬更大。

3　仿真實驗教學效果

將天線仿真實驗引入課堂,可以形象、生動地對天線的理論知識進行講解,讓學生更直觀地認識天線輻

射特性。另外,增加仿真實驗后,學生的主觀能動性被調(diào)動起來,積極主動地參與到天線課程的學習中,大大提高了教學效果。

目前,沈陽航空航天大學電子信息工程學院將天線仿真實驗引入課堂教學已2年有余,無論是學生的反饋,還是同行評價,都得到了充分的肯定。超過90%的學生反映“仿真演示+天線仿真實驗”的教學形式有助于對復雜理論知識的理解,有超過25%的學生在完成課內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上主動搜集資料學習其他類型天線的理論與設(shè)計。教學實踐表明:基于HFSS仿真軟件的天線課程教學改革在內(nèi)化知識的同時,增強了學生的自主學習能力和創(chuàng)新思維能力,對學生專業(yè)素質(zhì)的提高起到了很好的作用。

4　結(jié)語

利用HFSS軟件可以快速、簡便地對所設(shè)計天線進行仿真驗證,并且具有成本低、周期短、復雜程度低、便于修改等優(yōu)點。在學習了典型天線的相關(guān)理論后,引入仿真實踐環(huán)節(jié),不僅可以解決天線設(shè)計難于實踐的問題,還可以通過實際操作鍛煉學生分析問題和解決問題的能力,從而對課程建設(shè)、學生培養(yǎng)起到事半功倍的效果。

References)

[1] 高建平,屈樂樂,楊天虹.電磁波工程基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015.

[2] 陳波,王志敏,楊峰.電磁場與波課程中天線教學創(chuàng)新實驗設(shè)計[J].實驗科學與技術(shù),2011,9(2):19-21,90.

[3] 劉亮元，賀達紅.電磁場與電磁波仿真實驗教學[J].實驗室研究與探索,2010,29(5):30-32.

[4] 譚立榮,張照鋒.基于HFSS軟件的電波與天線課程資源庫的建設(shè)與實踐[J].現(xiàn)代企業(yè)教育,2013(12):249-250.

[5] 張海,葛悅禾,湯煒.工科“微波技術(shù)與天線”課程教學實踐探索[J].電子測試,2015(22):160-162.

[6] 宋立眾,王淼,聶玉明.超寬帶縫隙螺旋天線仿真與教學應(yīng)用研究[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(5):107-111,121.

[7] 韓露,喬磊,張弛.半波對稱振子天線的設(shè)計與仿真[J].電子質(zhì)量,2013(11):76-78.

[8] 全紹輝.微波虛擬實驗在教學中的應(yīng)用[J].電氣電子教學學報,2005,27(3):96-99.

[9] 汪濤,毛劍波,劉士興.天線仿真實驗的設(shè)計與教學實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(12):89-93.

[10] 房少軍,李洪彬,段曉燕.天線實驗教學仿真系統(tǒng)的研究[J].實驗室研究與探索,2010,29(1):50-52,58.

[11] 侯維娜,劉占軍.HFSS軟件在微帶天線教學中的應(yīng)用[J].數(shù)字通信,2013,40(1):92-94.

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

ResearchonHFSS-basedantennaexperimentalantennateaching

QuLele,YangTianhong,ZhangLili,LiYufeng

(CollegeofElectronicInformationEngineering,ShenyangAerospaceUniversity,Shenyang110136,China)

Aimingattheproblemofinadequatestateofpracticelinkforantennaexperimentalteachingintheuniversities,thispaperhasshownthetwoexperimentalexamplesofthesimulationofdipoleantennaandhornantennausingHFSSsoftwareandproposedtheadoptionofelectromagneticsimulationsoftwareinsteadofphysicalantennainpracticalteachinglink.Theproposedteachingmethodcansaveequipmentresources,improveteachingeffectsandarouseinterestsofthestudents.Thisteachingmethodhasbeencarriedoutformorethantwoyearsandreceivedtheincreasingpraiseofthestudents.Thegainedteachingeffectshaveverifiedthatthepracticalteachingmethodcansignificantlyimprovethepracticalabilityofthestudents.

antennaexperimentalteaching;simulationexperiment;HFSS

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.031

2016-01-22

遼寧省教學改革研究項目(UPRP20140236) 沈陽航空航天大學教學改革研究項目(01011679)

屈樂樂(1983—),男,河南焦作,博士,副教授,主要研究方向為超寬帶雷達技術(shù)、電磁場與微波技術(shù).

E-mail：qulele83@126.com

G642.0

A

1002-4956(2016)7-0129-04