基于HFSS 仿真軟件的微波天線課程教學(xué)探索

金華燕

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了高速率、大容量傳輸?shù)刃枨螅偈挂苿?dòng)通信技術(shù)更新?lián)Q代[1]。天線是移動(dòng)通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，是能量從有線傳輸?shù)綗o(wú)線傳輸過(guò)渡的橋梁[2]。因此，在電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生中，開設(shè)微波天線課程十分必要。微波天線理論的基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論，該課程內(nèi)容抽象、公式繁雜，對(duì)學(xué)生物理及數(shù)學(xué)類基礎(chǔ)課程的掌握情況有較高要求。另外，微波天線中涉及的基本參數(shù)較多，采用傳統(tǒng)的公式推導(dǎo)方法教學(xué)，學(xué)生對(duì)各參數(shù)物理本質(zhì)以及各參數(shù)之間的關(guān)系理解困難[3-6]。為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，使學(xué)生對(duì)微波天線各參數(shù)的物理意義有更深入的理解和認(rèn)識(shí)，在該課程的教學(xué)過(guò)程中引入電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行形象化的輔助講解，為學(xué)生構(gòu)建直觀性的學(xué)習(xí)情景，是非常有幫助的[7-9]。

隨著射頻微波電路仿真技術(shù)的發(fā)展，已有越來(lái)越多成功的教學(xué)案例將仿真軟件應(yīng)用到微波天線課程的教學(xué)中[10-12]。天線的輻射特性是天線區(qū)別于其他射頻前端器件的關(guān)鍵特性之一。目前已有的教學(xué)案例主要集中于用仿真軟件來(lái)簡(jiǎn)單呈現(xiàn)微波天線的輻射方向圖，而對(duì)其中的關(guān)鍵信息及物理本質(zhì)介紹較少。為此，本文將科學(xué)研究中常用的電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS應(yīng)用到微波天線的課堂教學(xué)中，以經(jīng)典的探針饋電微帶貼片天線為例，通過(guò)創(chuàng)建天線模型，對(duì)天線的輻射特性及其中的關(guān)鍵信息進(jìn)行了詳細(xì)的介紹與分析，使學(xué)生能夠?qū)ξ⒉ㄌ炀€輻射的物理意義有更深入、更透徹的理解。

1 天線基本性能參數(shù)

根據(jù) IEEE的定義，發(fā)射或接收系統(tǒng)中，經(jīng)設(shè)計(jì)用于輻射或接收電磁波的部分就是天線。天線輻射作用就是把傳輸結(jié)構(gòu)上的能量轉(zhuǎn)換成自由空間中的能量。天線的基本性能參數(shù)中，反射系數(shù)、輻射方向圖及增益是關(guān)鍵參數(shù)。

反射系數(shù)：天線反射系數(shù)又稱為輸入反射系數(shù)，它反映了天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配程度。在實(shí)際應(yīng)用中，天線無(wú)反射波的狀態(tài)稱為匹配狀態(tài)，此時(shí)全部入射功率都傳輸給了天線，通常用 S11(dB)表示。

輻射方向圖：輻射方向圖，簡(jiǎn)稱方向圖，給出了天線固定距離處（通常是遠(yuǎn)場(chǎng)）輻射隨角度的變化。

增益：在同一距離及相同輸入功率條件下，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度與無(wú)方向性天線（點(diǎn)源）的輻射功率密度之比，即為增益。

2 基于HFSS的微帶天線輻射特性分析

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)生很難建立直觀的認(rèn)識(shí)。引入HFSS電磁場(chǎng)仿真軟件建立三維立體模型，可以將抽象的天線結(jié)構(gòu)以及電磁場(chǎng)形象化地呈現(xiàn)出來(lái)，便于學(xué)生觀察和分析天線的輻射特性。下面以探針饋電的微帶天線為例，通過(guò)HFSS仿真，直觀地呈現(xiàn)出天線的輻射特性并對(duì)其中的關(guān)鍵信息進(jìn)行分析。

2.1 微帶天線模型的構(gòu)建

圖1為探針饋電的微帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖。輻射貼片的長(zhǎng)度為 L、寬度為 W，介質(zhì)基板的厚度為 h，其相對(duì)介電常數(shù)為εr，由同軸線在貼片沿x軸的中心處饋電。W和L的計(jì)算公式如下[13]：

其中：f0是天線工作的中心頻率；c是光速，c=3×108m/s；εr是相對(duì)介電常數(shù)；εreff是等效介電常數(shù)。εreff和ΔL的計(jì)算公式如下：

以上理論公式得到的是微帶天線的設(shè)計(jì)初始值，在實(shí)際問題中，由于金屬層材料及厚度、介質(zhì)基板介電常數(shù)、饋電同軸探針尺寸等的影響，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 同軸饋電微帶貼片天線結(jié)構(gòu)圖

2.2 微帶天線HFSS仿真及結(jié)果分析

本文采用介電常數(shù)εr=2.33、厚度h=1.575 mm的Rogers RT/duroid 5870作為介質(zhì)基板，設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為13 GHz的同軸饋電微帶天線對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)與分析。依據(jù)式（1）—（3），微帶天線長(zhǎng)度和寬度的理論值為W=8.94 mm、L=6.51 mm。經(jīng)過(guò)HFSS軟件仿真優(yōu)化后，天線實(shí)際物理尺寸為 W=8.2 mm、L=6.74 mm，饋電點(diǎn)位置與貼片邊緣距離d=0.97 mm。

在觀察輻射特性前，需要確定天線的工作頻率范圍，確保天線在所觀察的頻率點(diǎn)能夠正常工作，從而能夠?qū)崿F(xiàn)良好的能量傳輸，即輻射。圖2所示是設(shè)計(jì)的微帶貼片天線的反射系數(shù)曲線。常用|S11|≤ -10 dB的范圍表示天線的工作帶寬，工程應(yīng)用中認(rèn)為該范圍內(nèi)天線是正常工作的。從圖2可以看出，該天線工作的中心頻率為 13 GHz，在 12.4～13.65 GHz的范圍內(nèi)|S11|≤-10 dB，相對(duì)帶寬為9.6%。

圖2 微帶貼片天線反射系數(shù)曲線

圖3 所示是設(shè)計(jì)的微帶貼片天線在13 GHz處的輻射方向圖和貼片表面電流分布。對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，三維輻射方向圖能夠給出較直觀、立體化的信息。從圖3(a)的三維輻射方向圖中可以看出，輻射的能量主要集中在沿z軸的正上方，3 dB波束寬度較寬。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將貼片天線的方向圖分為E面和H面來(lái)進(jìn)行觀察：E面即包含電場(chǎng)矢量方向及最大輻射方向的平面，H面即包含磁場(chǎng)矢量方向及最大輻射方向的平面。根據(jù)電場(chǎng)與電流的關(guān)系，從圖3(b)的電流分布圖可知，該天線的E面為yoz面，H面為xoz面。

圖3 微帶貼片天線13 GHz處特性

在實(shí)際應(yīng)用中，通常用天線E面和H面的二維輻射方向圖來(lái)描述天線的輻射特性。圖4給出了微帶貼片天線13 GHz處的E面和H面的主極化及交叉極化輻射特性。交叉極化是指與天線主極化正交方向上的極化分量，是衡量天線抗干擾能力的重要參數(shù)。從圖4可以看出，該微帶貼片天線E面主極化方向圖不對(duì)稱，最大值偏離中心 4°左右，交叉極化水平小于-40 dB。H面主極化對(duì)稱，但是交叉極化較大，H面交叉極化為-20 dB。也就是說(shuō)，本文中的微帶貼片天線 E面主極化方向圖不對(duì)稱，H面交叉極化分量較大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是不對(duì)稱饋電結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)微帶貼片天線感應(yīng)近場(chǎng)觀測(cè)面上的電場(chǎng)分量來(lái)分析這種現(xiàn)象。

圖4 微帶貼片天線13 GHz處E面和H面歸一化輻射方向圖

圖 5所示是輻射貼片感應(yīng)近場(chǎng)觀測(cè)面上 13 GHz處電場(chǎng)Ex和Ey的幅度和相位分布。從圖5(a)可以看出，Ex分量主要分布在非輻射邊上。為了激勵(lì)起微帶天線的主模，并且實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，饋電同軸偏離天線y軸中心。Ex分量的幅度沿AA′對(duì)稱分布、沿BB′不對(duì)稱分布。從圖5(c)可以看出，Ex分量的相位在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)可大致分為4塊區(qū)域，相鄰兩個(gè)區(qū)域之間的相位差約為180°。微帶天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖的交叉極化與感應(yīng)近場(chǎng)Ex分量相關(guān)。因此，在該微帶天線E面上，Ex分量反對(duì)稱分布，遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射能量相互抵消，即 E面的交叉極化較小；但是在H面上，Ex分量不對(duì)稱分布，遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射能量不能相互抵消，即H面的交叉極化較大。

從圖5(b)和5(c)可以看出，Ey分量主要分布在輻射邊上，Ey分量的幅度沿AA′對(duì)稱分布、沿BB′不對(duì)稱分布，相位沿兩條對(duì)稱線均接近同相。微帶天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖的主極化與Ey分量相關(guān)。因而，該微帶貼片天線的 E面主輻射方向圖不對(duì)稱，H面主輻射方向圖對(duì)稱。

天線增益也是天線的關(guān)鍵參數(shù)之一。圖6所示是所設(shè)計(jì)的微帶貼片天線增益隨頻率的變化曲線。圖 6中給出了兩條增益曲線，兩者的區(qū)別在于實(shí)際增益曲線中考慮了反射損耗，即反射系數(shù)對(duì)增益的影響。結(jié)合圖2可知，在13 GHz處天線反射系數(shù)約為-40 dB，反射損耗較小，因此實(shí)際增益接近于增益。偏離13 GHz后，天線的反射損耗增大，實(shí)際增益偏離增益的程度也相應(yīng)增大。因而，從圖6可以看出，反射系數(shù)對(duì)天線實(shí)際增益會(huì)產(chǎn)生較大影響。

圖5 天線感應(yīng)近場(chǎng)觀測(cè)面上13 GHz處的電場(chǎng)幅度及相位分布

圖6 微帶貼片天線輻射方向圖

3 結(jié)語(yǔ)

將電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS應(yīng)用到微波天線課程的教學(xué)中，形成直觀的電磁場(chǎng)模型，并將抽象的概念、性質(zhì)進(jìn)行仿真分析，可以更好地幫助學(xué)生理解和掌握微波天線輻射的原理和物理意義。通過(guò)HFSS對(duì)感應(yīng)近場(chǎng)的分析，學(xué)生可更清楚地了解天線輻射中主極化及交叉極化的物理意義。通過(guò)結(jié)果分析，學(xué)生可以更清楚地了解反射系數(shù)的意義及其對(duì)增益的影響。這種將理論知識(shí)與仿真相結(jié)合的教學(xué)方式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，擴(kuò)充了課堂教學(xué)內(nèi)容的豐富性，有效提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。