基于HFSS仿真软件的天线实验课程研究

屈乐乐, 杨天虹, 张丽丽, 李玉峰

(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院, 辽宁 沈阳　110136)



基于HFSS仿真软件的天线实验课程研究

屈乐乐, 杨天虹, 张丽丽, 李玉峰

(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院, 辽宁 沈阳110136)

针对目前高校在天线实验教学中实践环节开设不充分的问题,通过基于HFSS电磁仿真软件的对称振子天线和喇叭天线的仿真设计实例,提出采用HFSS仿真软件代替天线实物教学的实验课程改革,通过仿真得到天线的回波损耗、电压驻波比、输入阻抗及方向图,达到了节省设备资源、提高教学效果、调动学生兴趣的目的。该教学方法的实际教学效果表明,引入仿真实验对学生实践能力的提升起到了良好作用。

天线实验教学； 仿真实验；HFSS

天线是无线电系统中不可或缺的部分,对天线进行理论分析和实际应用是电子信息工程、通信工程等专业的学生必须具备的能力[1-3]。传统的天线课程教学由于条件受限,主要以介绍天线理论为主,就是在特定的边界条件下求解麦克斯韦方程,但由于理论推导多、物理概念多、所需数学知识多,教学效果不能使人满意。为了使学生更好地掌握课堂教学内容,在实验教学中增加利用电磁仿真软件进行天线仿真设计的内容,可以让学生形象、直观地感知天线的辐射情况,有效地提升学生的应用能力、创新能力、分析问题与解决问题的能力[4-10]。本文提出将HFSS软件引入天线课程的实验教学中,通过学生对工作于同一频率的两款天线进行仿真设计,加深学生对天线性能参数的理解,提高天线课程的教学效果[11]。

1　HFSS简介

HFSS软件是一款最早引入我国,也是国内用户较多的全波三维电磁仿真软件。利用HFSS对天线进行建模,经计算可得出回波损耗、驻波比、远场辐射方向图、输入阻抗等一系列天线性能参数[12]。该软件采用有限元法,集计算电磁学、数学分析、虚拟实验方法于一体,成为目前国际上天线应用分析和工程设计所使用的主流软件。工程实践表明,HFSS软件的仿真结果与真实天线的实测结果基本吻合。由于真实天线的制作与测试耗时长、费用高,而借助电磁仿真技术可节约设计成本、提高设计精度和效率。通过学习HFSS软件,可以让学生掌握电磁仿真软件的使用方法,更好地理解天线理论中的相关知识,提高学生的天线设计能力,为他们更好地适应行业需求奠定坚实的基础。

2　天线仿真实验内容设置

在学生掌握典型天线的基本理论和设计方法的基础上,让学生利用HFSS软件对工作频率为2.45GHz的对称振子天线和喇叭天线分别进行仿真设计,并对仿真结果进行分析、比较,可以加深学生对基本概念的理解,提高学生的学习兴趣。

2.1对称振子天线

对称振子天线是一种结构简单、应用广泛的典型线天线[1]。对称振子辐射场可由电基本振子辐射场积分得到,其电参数也可通过数值计算求得。但是,由于计算过于繁琐、表达式过于复杂,使得学生对其辐射特性的理解略有欠缺。通过仿真实验可形象地展示该天线的结构及电参数。

选定天线为半波振子,其总长为0.48λ,根据天线的中心工作频率可得到天线的全长为58.8mm,半径取0.6mm。仿真模型如图1所示。

图1　半波振子HFSS仿真模型

利用HFSS对半波振子进行仿真,可以得到天线的回波损耗(S11)、电压驻波比(VSWR)、输入阻抗(Zin)及方向图,各个参数的仿真结果如图2—图7所示。由仿真结果可知按照参数进行设计的半波振子天线,其中心频率为2.45GHz,阻抗带宽为377MHz,输入阻抗为(73.65-j0.57)Ω,天线的E面方向图呈“∞”型,主瓣宽度为77.53°,H面方向图有较好的全向辐射,天线的增益为2.48dB。

图2　半波振子天线回波损耗仿真结果

图3　半波振子天线电压驻波比仿真结果

图4　半波振子天线输入阻抗仿真结果

图5　半波振子天线E面方向图

图6　半波振子天线H面方向图

图7　半波振子天线三维方向图

2.2喇叭天线

喇叭天线是由波导逐渐张开所形成的一类最简单、最实用的面天线,其增益较高、方向性较强。按口面形状,喇叭天线大体可分为矩形喇叭和圆喇叭两类[11-12]。由于喇叭天线的横截面逐渐变大,不但使天线开口口面增大,增加了辐射的方向性,而且使沿线特性阻抗由原来在开口处突变而转变为缓慢变化,减小了开口处的反射。

选定矩形喇叭天线进行仿真实验。该天线的设计需按照最佳喇叭的设计方法,以使其在节省空间和材料的同时达到最大增益。传统的天线教学只是在给定指标情况下进行天线尺寸的计算,无法验证设计的优劣,引入仿真实验后,学生可以通过仿真结果直观地验证设计的合理性并随时进行调整。

根据天线中心工作频率2.45GHz,增益不小于20dB,采用50Ω同轴馈电的技术指标,确定喇叭天线各部分尺寸参数如表1所示,仿真模型如图8所示。

表1　喇叭天线各部分尺寸　cm

图8　喇叭天线HFSS仿真模型

利用HFSS仿真,可以得到喇叭天线的相关电参数,仿真结果分别如图9—图13所示。由仿真结果可知：喇叭天线在2.45GHz对应回波损耗为-21.75dB,阻抗带宽为785MHz,输入阻抗为(44.28-j5.8)Ω,天线的增益达到20.83dB,满足增益大于20dB的要求。辐射主要集中在喇叭天线口面轴线附近。

图9　矩形喇叭天线回波损耗仿真结果

图10　矩形喇叭天线电压驻波比仿真结果

图11　矩形喇叭天线输入阻抗仿真结果

图12　矩形喇叭天线E面及H面增益方向图

图13　矩形喇叭天线三维方向图

学生通过对喇叭天线与对称振子天线的仿真结果进行比较,可知二者在具有相同的中心工作频率时,喇叭天线的主瓣更窄、增益更高,具有较强的方向性,并且其带宽更大。

3　仿真实验教学效果

将天线仿真实验引入课堂,可以形象、生动地对天线的理论知识进行讲解,让学生更直观地认识天线辐

射特性。另外,增加仿真实验后,学生的主观能动性被调动起来,积极主动地参与到天线课程的学习中,大大提高了教学效果。

目前,沈阳航空航天大学电子信息工程学院将天线仿真实验引入课堂教学已2年有余,无论是学生的反馈,还是同行评价,都得到了充分的肯定。超过90%的学生反映“仿真演示+天线仿真实验”的教学形式有助于对复杂理论知识的理解,有超过25%的学生在完成课内实验的基础上主动搜集资料学习其他类型天线的理论与设计。教学实践表明:基于HFSS仿真软件的天线课程教学改革在内化知识的同时,增强了学生的自主学习能力和创新思维能力,对学生专业素质的提高起到了很好的作用。

4　结语

利用HFSS软件可以快速、简便地对所设计天线进行仿真验证,并且具有成本低、周期短、复杂程度低、便于修改等优点。在学习了典型天线的相关理论后,引入仿真实践环节,不仅可以解决天线设计难于实践的问题,还可以通过实际操作锻炼学生分析问题和解决问题的能力,从而对课程建设、学生培养起到事半功倍的效果。

References)

[1] 高建平,屈乐乐,杨天虹.电磁波工程基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015.

[2] 陈波,王志敏,杨峰.电磁场与波课程中天线教学创新实验设计[J].实验科学与技术,2011,9(2):19-21,90.

[3] 刘亮元，贺达红.电磁场与电磁波仿真实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(5):30-32.

[4] 谭立荣,张照锋.基于HFSS软件的电波与天线课程资源库的建设与实践[J].现代企业教育,2013(12):249-250.

[5] 张海,葛悦禾,汤炜.工科“微波技术与天线”课程教学实践探索[J].电子测试,2015(22):160-162.

[6] 宋立众,王淼,聂玉明.超宽带缝隙螺旋天线仿真与教学应用研究[J].实验技术与管理,2014,31(5):107-111,121.

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[9] 汪涛,毛剑波,刘士兴.天线仿真实验的设计与教学实践[J].实验技术与管理,2012,29(12):89-93.

[10] 房少军,李洪彬,段晓燕.天线实验教学仿真系统的研究[J].实验室研究与探索,2010,29(1):50-52,58.

[11] 侯维娜,刘占军.HFSS软件在微带天线教学中的应用[J].数字通信,2013,40(1):92-94.

[12] 李明洋,刘敏.HFSS天线设计 [M].2版.北京:电子工业出版社,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

辽宁省教学改革研究项目(UPRP20140236) 沈阳航空航天大学教学改革研究项目(01011679)

屈乐乐(1983—),男,河南焦作,博士,副教授,主要研究方向为超宽带雷达技术、电磁场与微波技术.

E-mail：qulele83@126.com

G642.0

A

1002-4956(2016)7-0129-04