基于HFSS的微波器件仿真实验设计与应用

屈乐乐, 杨天虹, 胡爱玲, 李 轩

(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，沈阳 110136)

基于HFSS的微波器件仿真实验设计与应用

屈乐乐, 杨天虹, 胡爱玲, 李 轩

(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，沈阳 110136)

针对目前高校微波技术教学中课程理论性强、直观性实验少的特点，提出在教学过程中引入高频结构仿真器(HFSS)电磁仿真软件，通过设计基于HFSS的微波器件仿真实验，使课堂理论教学与仿真技术相结合，实现理论与实践教学的有机结合。实际教学效果表明,将电磁仿真实验引入课堂教学，提高了学生的学习兴趣与工程实践能力，增强了学生的自主学习能力和创新思维能力，对培养学生综合素质起到了积极的促进作用。

微波技术； 仿真实验； 教学方法； 高频结构仿真器

0 引 言

微波技术课程作为电子信息类专业必修课，其知识在军用和民用等领域均有广泛的应用，但是这门课程理论知识多、数学公式多、直观性实验少，使得学生对知识的理解和应用存在诸多困惑[1-2]。另外90后学生思维活跃，喜欢和教师探讨他们所感兴趣的问题，更喜欢把想法付诸实践。利用他们的这一特点，在讲解理论的同时增加工程实例，本文通过高频结构仿真器(High Frequency Structure Simulator,HFSS)软件对一些微波器件进行仿真设计，能够验证教师讲授的理论知识，让学生加深印象，从而加强对场技术的感性认识，消除学生学习理论知识的畏难心理，有效提高教学效果，提升学生的课堂学习兴趣[3-5]。

1 HFSS简介

HFSS是一款最早引入我国的电磁仿真软件，可以分析、仿真任意三维无源结构的高频电磁场。利用其对微波器件进行建模仿真，可得出工作频率、品质因数、S参数矩阵和全波电磁场等[6]。HFSS以其无与伦比的仿真精度，高效快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术成为高频结构设计的首选工具和行业标准[7]。在理论课中穿插HFSS仿真设计验证实验，把理论教学和仿真实验教学有效结合起来，使课堂上所授的理论知识能够形象直观地展现给学生，这不仅使课堂教学生动有趣，更加深学生对理论知识的理解，为学生后期进入实验室进行实物验证提供了一定的实验基础。

2 基于HFSS的微波器件仿真实验设计

2.1 谐振腔

谐振腔是用于微波波段的谐振电路，一般是由导体制成的封闭空腔，电磁波在腔内连续反射，当模式和频率合适时就会形成驻波，发生谐振。由于电磁场被限制在腔体内部，没有辐射损耗，故谐振腔的品质因数比较高[8]。常用的矩形谐振腔和圆柱谐振腔是按照谐振腔的结构来命名的，下面针对这2种谐振腔分别说明其设计过程及仿真实验结果。假定两种谐振腔均在10 GHz时发生谐振，腔体材料选择黄铜，设定腔内为空气。

2.1.1 矩形谐振腔

矩形谐振腔是在矩形波导(宽边尺寸a，窄边尺寸b)的适当位置放置两块封闭的金属平板所构成的长方体金属空腔，腔体几何尺寸为a×b×l。矩形谐振腔的谐振长度l要满足半个谐振相波长的整数倍，若同时考虑单模谐振问题，矩形谐振腔只谐振TE101模式的条件为[9]:

(1)

式中,λ0为工作波长。当确定谐振频率为10 GHz,即工作波长λ0=3 cm时，选择规范化国产波导BJ-100型得到a=2.286 cm，b=1.016 cm，l=1.988 cm，利用HFSS软件进行建模，建立的仿真模型如图1所示。

利用HFSS进行仿真计算，选择本征模求解模式，迭代次数为20次，收敛误差为2.5%，得到该谐振腔的谐振频率为9.99 GHz，品质因数为7 820，并获得其截面上的场分布，场分布如图2～4所示。

2.1.2 圆柱谐振腔

图1 矩形谐振腔HFSS仿真模型

(a) 电场分布

(b) 磁场分布

(a) 电场分布

(b) 磁场分布

(a) 电场分布

(b) 磁场分布

(2)

因TE01模在圆波导中不是主模，故TE011谐振模在圆柱腔内不易实现单模谐振，但由于该模式的品质因数最大而常用于波长计和稳频腔中。

当谐振中心频率f0=10 GHz时，通过图5及式(2)，可以确定D=4.4 cm，l=2.7 cm，据此建模，仿真模型如图6所示。

图5 圆柱谐振腔模式图

图6 圆柱谐振腔HFSS仿真模型

表1 圆柱腔谐振频率及品质因数

可见，频率在10 GHz发生谐振，对应TE011模，而此模式对应的品质因数远大于其他模式，与理论相符。圆柱谐振腔场分布如图7、8所示。

(a) 电场分布

(b) 磁场分布

(a) 电场分布

(b) 磁场分布

2.2 微带混合环

混合环是一种典型的定向耦合器，早期由波导制成，虽功率大，但体积笨重。微带混合环具有体积小、质量轻、易加工等优点，在小功率微波集成平衡混频器中，作为功分器而获得广泛应用。

混合环是四端口网络，结构如图9所示，具有两个端口互相隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，此时可看做是一个3 dB不变阻定向耦合器。该系统应满足结构对称，当1口输入时，3口无输出，而2口和4口有等幅同相输出；当3口输入时，1口无输出，而2口和4口有等幅反相输出[11-13]。

图9 微带混合环结构图

混合环的散射参量矩阵可以表示为

(3)

表2 混合环各部分尺寸

建立的仿真模型如图10所示。金属带部分设定为理想导体，激励方式选择4个端口为波端口激励，经仿真分析得到S参数的扫描特性如图11所示。从结果中可得，在10 GHz处，2口和4口输出功率为1口输入功率的1/2(S12和S14约为-3 dB)，3口和1口隔离(S13约为-42 dB)，1口自身匹配(S11约为-34 dB)。

图10 混合环HFSS仿真模型

图11 混合环S参数随频率变化关系曲线

散射参量S矩阵与端口位置的选择密切相关，将端口平移至圆环附近得到S矩阵，结果如图12所示，可见仿真结果与理论基本一致。

图12 S矩阵求解结果

3 结 语

目前，微波技术的课堂教学大都停留在理论介绍和公示的推导，本文提出在教学中引入利用HFSS设计的微波器件仿真实验，授课教师可以形象生动地对理论知识进行讲解、补充，让学生对所学知识有更深入的理解和认识。另外，现在的学生非常喜欢实验操作，在课堂引入微波仿真实验后，他们的主观能动性被调动起来，在课余自主学习HFSS软件应用，并通过仿真实例学习微波器件的设计。由此可见，将HFSS引入微波技术教学中，大大地提升了教学效果，同时也提高了学生的学习兴趣，增强了学生发现问题和解决问题的能力。

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Research of Teaching Methods in Microwave Technology Based on HFSS

QULele,YANGTianhong,HUAiling,LIXuan

(College of Electronic Information Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

Aiming at the characteristics of the strong theoretical property of the curriculum and the lack of intuitive experiments in the teaching of microwave technology, this paper proposed the adoption of the electromagnetic simulation software HFSS in the practical teaching process. The microwave devices simulation design experiments using HFSS software can implement the organic combination of theory teaching and practical teaching. The microwave devices simulation examples based on HFSS can make the teaching interesting and lively and help students comprehend the difficulties, hence, it can help students understand the structure, field distribution of microwave devices and master the design method of microwave devices. The gained teaching effects have shown that the introduction of the HFSS simulation experiments can improve the learning interest and engineering practice ability of the students and strengthen autonomous learning ability and innovative thinking ability of the students. The experiments play a significant role in promoting the comprehensive quality of students.

microwave technology; simulation experiment; teaching method; high frequence strurcture simulator

2016-05-30

辽宁省教学改革研究项目(UPRP20140380);沈阳航空航天大学教学改革研究项目(01011679)

屈乐乐(1983-)，男，河南焦作人，博士，副教授，主要从事雷达技术研究工作和电磁场与微波技术教学工作。

Tel.: 18842561855; E-mail: qulele83@126.com

TM 924.76;G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0086-04