基于HFSS仿真的設計型天線實驗的研究

程春霞 孫文方 蘇博

摘要：基于HFSS（High Frequency Structure Simulator）仿真軟件設計了微帶天線的仿真設計實驗，通過合理的設計實驗實施過程，有效地避免了實驗實施過程中相互抄襲的問題，培養了學生獨立研究的能力，提升了實驗教學的效果。通過仿真設計型實驗不僅加深了學生對相關基礎知識的認識，而且使學生熟悉了常用射頻、天線工程設計軟件，增加了學生工作和深造的競爭力。

關鍵詞：HFSS；設計型；實驗研究；天線

中圖分類號：G482 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）23-0276-03

無線通信、射頻識別已經滲透到民用、國防的各個方面，而天線是這些系統中必不可少的設備，因此也就需要了解天線結構和原理并能將其應用于具體的工程。天線理論的基礎是電磁場理論，其數值求解過程非常復雜，同時它又與工程聯系緊密，必須配合必要的實驗教學才能培養出兼具理論知識和工程實踐能力的人才。

由于傳統的天線實驗所需的設備昂貴，而且對實驗環境的要求較高，因此大多數高校的天線實驗是測量天線特性的驗證型實驗[1，2]，而在研發設計領域，電磁仿真軟件HFSS、CST、Microwave office等已成為重要的設計工具，為了滿足工程設計的需求，很多高校開設了天線的仿真實驗[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出加工，可以計算天線的回波損耗、駐波比、遠場輻射方向圖、輸入阻抗等參數[10]。本文利用HFSS軟件進行天線的實驗教學，通過合理的設計實驗來避免仿真實驗中學生相互抄襲，加強對學生實驗過程的考核，使每一位學生通過實驗都能加深對基礎知識的理解、熟悉常用工程設計軟件，提高實驗教學的效果。

一、實驗內容的設計

設計型實驗由教師提出微帶天線的設計指標，學生根據指標完成從理論設計到仿真調試的過程。

為了便于后面擴展到實物加工調試，微帶天線的介質板選用介電常數2.2，介質厚度1.2mm，尺寸150mm×150mm；為了防止學生之間互相抄襲，每位學生所設計天線的中心頻率（單位MHz）與自己的學號和所在的班級相關，本屆學生共有三個小班，分別為11、21和29班，11班的中心頻率為f0-11=2000-10×n11（n11為11班學生學號的最后兩位），21班的中心頻率為f0-21=2000+10×n21（n21為21班學生學號的最后兩位），29班的中心頻率為f0-29=2000+10×n21max+10×n29（n21max為21班學生的總人數，n29為29班學生學號的最后兩位）；相對帶寬（S11<-10dB）大于0.6%。

實驗步驟為：（1）學生根據實驗要求完成微帶天線的理論設計，并提交理論設計過程和結果，理論設計作為最終實驗成績的一部分。（2）根據理論設計在仿真軟件中進行建模并調試，調試過程記錄各個參數的變化對天線性能的影響，并從理論上進行分析。（3）按照實驗報告要求撰寫實驗報告。

二、實驗的實施

下面以中心頻率2000MHz的天線為例來介紹設計型實驗的實施過程。

1.理論計算。理論計算是微帶天線設計實驗的第一步，其輻射貼片（如圖1所示）的寬邊、長邊、輸入阻抗的計算公式如下[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度，c為光速，f0為天線的中心頻率，εe和ΔL可由下面兩個式子計算。

εe=+1+12 （3）

ΔL=0.412h （4）

通信系統的輸入阻抗一般為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內容，常用的阻抗匹配有單枝節匹配、雙枝節匹配、λ/4阻抗變換器等方法，單枝節匹配和λ/4阻抗變換器是兩種比較簡單的阻抗匹配方法，可以任選一個來把微帶天線的輸入阻抗變換到50Ω。我們這里用λ/4阻抗變換器來實現，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，可以借助一些小軟件（比如TXLINE）來計算這四個參數。

根據實驗指標介電常數εr=2.2、介質厚度h=1.2mm、中心頻率f0=2000MHz，由（1）—（4）式計算出W=59.3mm、L=50.0mm、Zin=288Ω，阻抗變換器的阻抗Z1==120Ω，利用TXLINE計算得到w1=0.7mm、l1=28.3mm、w2=3.7mm。

由于實驗內容中每一位學生所要實現的天線中心頻率都不相同，因此理論計算的輻射貼片和匹配器的尺寸各不相同，所以每一位學生都必須掌握微帶天線的理論，熟悉并會運用理論計算的基本公式，這就有效地調動了學生學習的自主性和能動性。

2.仿真調試。仿真調試是微帶天線設計實驗的第二步，根據前面的理論計算結果在HFSS中建模，如圖3所示。

仿真得到此時微帶天線饋電端口的反射系數S11，如圖4所示。從圖4中可以看出此時天線的諧振頻率為1960MHz，低于要求的諧振頻率，根據微帶天線的輻射原理我們可以知道，輻射貼片的L與其諧振頻率的關系密切，L越小諧振頻率越高，因此可以改變L來驗證理論分析；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，完全匹配時端口反射系數應該是-∞dB，所以可以改變w1、l1來使諧振點S11的值最小。

微帶天線的端口反射系數S11隨L、w1、l1變化的規律如圖5所示。從圖5可以看出其變化規律與前面的理論分析一致，通過仿真調試過程加深了學生對相關理論知識的理解，使學生對參數變化對S11的影響印象深刻，同時也為天線實物的調試打下了基礎，積累了經驗。

由圖5確定仿真調試后微帶天線的最終尺寸為：L=49mm、w1=0.8mm、l1=26mm，其他尺寸與理論計算值一致。此時，阻抗帶寬0.9%，滿足實驗要求的相對帶寬（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°。

上述仿真調試過程及最終設計天線的指標必須在學生的實驗報告中進行詳細的描述，在評定實驗報告時有嚴格的評分標準。

三、結語

將電磁仿真軟件HFSS引入到天線的實驗教學中，通過合理的設計實驗內容，使每一位學生都必須理解微帶天線的設計原理，都能獨立的設計、仿真調試微帶天線，有效的避免了仿真實驗實施過程中相互抄襲的問題，提高了學生學習的興趣。通過直觀的實驗結果和調試過程加深了學生對相關基礎知識的理解，使學生熟悉了常用射頻、天線工程設計軟件的使用和工程設計時的調試過程。通過實驗報告的撰寫使學生熟悉研究論文的寫作要求，對學生今后工作、學習中總結研究成果，撰寫相關的總結報告、科技論文都有一定的幫助。

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