基于HFSS的电磁场仿真实验课堂设计

杨慧春， 高晶敏， 魏 英， 王丽霞， 付晓辉

(北京信息科技大学 自动化学院， 北京 100101)

0 引言

“微波技术基础”是通信、电子类专业的核心课程之一，该门课程是看不见摸不着的“场”的后续应用，具有抽象不直观、实践性强等特点。鉴于此，在讲述“微波技术基础”理论时，增加工程实例，进行基于项目的实践性教学环节设计，利用ANSOFT HFSS仿真设计三端口的功分器和四端口的定向耦合器，验证S参数及场分布，加深对抽象场的认识，提升学生的学习积极性[1～3]。

ANSOFT HFSS是一款三维电磁仿真软件，可以用来计算天线、微波元器件的辐射特性、S参数等，“微波技术基础”课程引入该软件可以仿真三维场的分布和散射参数，结合先修电路课程，加深学生对“场”与“路”两种分析问题方法的理解。

1 电磁场实验教学的仿真设计

1.1 正交混合电桥

正交混合电桥是应用广泛的一种定向耦合器，具有体积轻巧容易加工的优点。结构见下图1，它具有一个输入口、两个输出口和一个隔离口。

若输入口①输入信号时，经过直通臂由输出口②的输出信号与经过耦合臂由输出口③的输出信号有90°相位差故正交；隔离口④隔离。

图1 正交混合电桥结构

正交混合电桥具有结构对称性，由输入口①输入的功率分配如下：输入口①匹配无反射；直通臂输出口；②输出一半功率，相位滞后π/2；耦合臂输出口；③输出另一半功率，相位滞后 ；隔离口；④无输出。当然，正交混合电桥的任一端口都可用作输入，两输出端口总是在与输入端口相反的一边，散射参数S矩阵的理论值为：

(1)

表1 正交混合电桥的尺寸

ANSOFT HFSS仿真正交混合电桥模型见下图2，导带部分设置为理想导体，中心频率设置为1.85 GHz，计算频带设置为1.75 GHz-1.95 GHz，四个端口设置成集总端口，选择Lump port。

仿真计算的S参数随频率变化见下图3，中心频率1.85 GHz处的S参数分别为：S21=S31≈-3 dB，可见2、3端口平分1端口的输入功率；S41=-35 dB，可见4端口和1端口隔离良好；S11=-38 dB， 可见1端口自身匹配良好。

图2 正交混合电桥仿真模型

图3 正交混合电桥S参数随频率的变化

1.2 波导H-T接头

波导H-T接头在微波系统中有着广泛的应用，可用作功率分配器或功率合成器。H-T接头结构及仿真模型见图4。

(a)结构 (b)仿真模型图4 H-T接头

(2)

ANSOFT HFSS仿真H-T接头，腔体部分设置为理想导体，中心频率设置为9.0 GHz，计算频带设置为8.0 GHz -10.0 GHz，四个端口设置成集总端口，选择Wave port。

仿真计算的散射参数随频率变化见图5，③端口匹配输入时，S33=-16 dB；端口①和端口②完全对称，S13=S23≈-3 dB；仿真计算的TE10模电场分布见图6；与理论吻合。

图5 H-T接头散射参数随频率的变化

图6 H-T接头TE10模的电场分布图

结合波导H-T接头的场分布图及散射参数可以引入 “场”与“路”这两种分析问题的途径。

1.3 定向通信天线

微带天线因体积小重量轻、低剖面、易实现双频段等功能而广泛应用于卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备上。图7 基于ANSOFT HFSS仿真了矩形贴片天线，特性阻抗50欧姆，中心频率1.575GHz，回波损耗-13.67dB，增益约7dB，可实现定向通信。

图7 矩形贴片天线

天线尺寸如下：地长度和宽度都取100mm；介质层位于地的正上方，其高度为5mm,长度和宽度都取80mm；使用半径为0.5mm的圆柱体模拟同轴馈线的内芯，圆柱体与z轴平行放置，圆柱体的底面圆心坐标为(9.5mm,0,0)，设置圆柱体材质为理想导体，圆柱体顶部与微带贴片相接，底部与参考地相接，在与圆柱体相接的参考地面上挖出一个半径1.5mm的圆孔，作为信号输入端。

辐射贴片的尺寸48.11m*64.4mm时天线的谐振频点为1.575GHz，图8可以看出，谐振点时天线的散射参数S11=-13.67dB，小于-10dB的工程应用要求。从三维增益方向图9中可以看出最大辐射方向是微带贴片的法相，增益约7.0dB，可用于定向通行。

3 结语

本文基于ANSOFT HFSS电磁软件仿真了波导结构的H-T接头、微带结构的定向耦合器，从两个输出端口的S参数可以看出H-T接头、3dB正交混合电桥平分输入功率的特性，加深学生理解微波元件在工程应用中的作用。

讨论了“微波技术基础”中“场”的分析方法，并结合先修电路课程的 “路”分析方法进行了教学，让学生理解是“场”与“路”只时分析问题的不同途径，两者息息相关，加深学生对不同课程内容的理解，实现融会贯通[7～9]。(杨慧春文)

图8 S参数

图9 三维方向图