基于HFSS的物联网课程中天线的实践教学

陈书文 周近 李国豪

摘  要： 拟将HFSS电磁仿真软件引入物联网天线的教学来替代实物实验。这样可以略去搭建实验环境的工程操作细节，有利于精准掌握天线理论的重要概念及相关参数意义，不失为高校物联网工程专业实验改革的新思路。该方法的优点是，实验者通过软件可以较快地仿真出各种常用天线结构的回波损耗、电压驻波比、输入阻抗，并能可视化地获取天线的方向图和电流分布图。不仅节约了实验设备资源、提高教学效果，还调动了学生自主学习的兴趣。结果表明，该方法对提升学生的实践教学效果有巨大的促进作用。

关键词： 物联网; 实验教学; 虚拟仿真; 天线

中图分类号：TP391.7          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）07-59-03

Abstract： In this paper， HFSS electromagnetic simulation software is introduced into the practical teaching of antenna course to replace the specific physical experiment. In this way， engineering details of setting up the experimental environment can be omitted， and the important concepts and relevant parameters of antenna theory can be accurately grasped， which can be regarded as a new idea for the experiment reform of IoT engineering specialty in colleges. The advantage of this method is， the experimenter can relatively quickly get return loss， voltage standing wave ratio， input impedance of all kinds of antenna structure by HFSS， and can visually get antenna gain pattern and current distribution， which not only saves laboratory resources， improves the teaching effect， but also arouses the students' learning interest. The results show that this method can promote the effect of practical teaching greatly.

Key words： Internet of Things; experiment teaching; virtual simulation; antenna

0 引言

物联网课程中天线[1]的教学内容包括：电磁辐射理论、各类常见天线的工作原理与电磁特性分析等。众所周知，电磁场中的电场矢量和磁场矢量都满足Maxwell偏微分方程组[2]，求解非常复杂，一般需要学生具有较好的数學基础;另一方面，由于矢量结果缺乏直观视图，空间想象力较弱的学生则普遍理解困难。从实践教学资源上看，传统天线测量系统[3]的建设和使用成本较高，且设备操作频繁，易于损坏，这对于教学经费相对紧张的高校，也不适合大规模本科生的培养。

实验教学中，如果利用Ansoft公司的HFSS电磁仿真软件[4]进行天线的设计与仿真，则能很好地解决上述矛盾。此仿真平台是基于有限元（FEM）的三维电磁仿真软件，采用成熟稳定的自适应网格剖分技术，全波分析任意形状的三维无源结构的电磁特性，如天线的方向性系数、输入阻抗、电压驻波比等。此外，软件还具有强大的数据后处理能力，如电磁场可视化[5]，即以图形或动画的方式展现电、磁场的空间分布及目标上的电流强度和走向。这样，抽象的实验形象化，且理论与实践相结合不仅加深了学生对课堂知识的理解，还提高了学生的学习兴趣和效率。本文以半波偶极子天线、微带贴片天线的教学为例，介绍HFSS仿真软件在天线实验课程中的应用。

1 HFSS在半波偶极子天线实验中的应用

半波偶极子天线由两根直径、长度都相等的直导线组成，如图1所示。每根导线长度为1/4个工作波长，激励端口为电压激励，天线对称双臂上的电流分布用以下公式表达以上电场、磁场矢量表达式较为抽象、复杂，不直观，学生不易理解。下面利用HFSS软件仿真，研究天线的辐射场，以及其他重要特性。天线三维建模如图1所示，半波偶极子天线材质设为理想导体，工作波长为100mm。天线总长度，即双臂长度之和，为0.5个波长，双臂的横截面圆的半径设置为0.5mm。仿真时需注意天线馈电采用集总端口的激励方式，吸收边界条件为辐射条件，求解频率设置在3.0GHz。仿真结果如图2所示。从图2回波损耗（S11参数）曲线可以看出，天线的工作频率在谐振点3.0GHz。天线的阻抗匹配工作需要消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。从图3输入阻抗曲线可以看出，天线的在3.0GHz工作频点的输入阻抗实部为50欧姆，虚部为零。图4非常直观地显示了偶极子天线的3D辐射方向图，可以看出xoy平面上有天线的最大辐射方向，与理论上的方向因子函数完全吻合。

首先是建立天线模型，根据估算公式，设置辐射贴片长度为30.2mm，宽度为37.3mm，介质基片材料选为环氧树脂板，厚度设为1.6mm，相对介电常数为4.4。把介质基片的底面设置为理想导体边界，然后建立距离辐射体不小于1/4个工作波长的吸收边界。最后设置求解的中心频率为2.45GHz，同时添加1.5GHz～3.5GHz的扫频设置，启动仿真。从图6的S11参数扫频结果可以看出，当金属贴片长度为28mm时，天线的谐振频率落在2.45GHz，满足设计指标。此时，微带天线的二维和三维的辐射特性如图7、图8所示，可以看出z+方向是天线的最大辐射方向。

仿真实验结果验证了贴片天线理论的正确性。学生如果感兴趣，还可以利用课余时间，自主研究天线的贴片宽度、基片的相对介电常数等参数对谐振频点的影响情况，充分发挥学习的主观能动性，提高教学效果。

3 结论

以仿真软件为手段的天线与微波电路设计方法，已广泛应用于科研与电子工业之中。利用仿真软件进行本科生的专业教学，能让学生尽早地掌握本行业流行软件的使用方法，与工业界无缝对接。这是高校产学研结合的重要途径和提高人才培养质量的内在要求。用基于Ansoft公司的HFSS软件，本文以半波偶极子天线和微带贴片天线的设计为例，介绍了相关知识的仿真教学过程，验证了相关理论的正确性。此方法有利于加深学生对课堂知识的理解，让学生初步掌握常用天线的设计方法。

参考文献（References）：

[1] 黄玉兰.物联网射频识别核心技术详解（第三版）[M].人民邮电出版社，2016.

[2] John D. Kraus.天线（第三版）[M].电子工业出版社，2006.

[3] Thomas A. Milligan.现代天线设计（第二版）[M].电子工业出版社，2012.

[4] 李明洋.HFSS电磁仿真设计从入门到精通[M].人民邮电出版社，2008.