吳香林　余小蘭　劉大良

[摘 要] 針對目前高職院校狠抓教學改革，提高學生動手能力的問題，提出項目式教學模式，加強課程與工作之間的相關性。應用Ansoft HFSS 15軟件分析、設計、仿真螺旋天線進行實例，代替抽象指標分析和天線實操教學模式，達到原理可視化、模型動態(tài)化、資源集約化的目的。此教學模式對高職學生動手解決天饋系統(tǒng)工程實施及維護方面問題的能力得到了提升。

[關 鍵 詞] HFSS；螺旋天線；課程改革；方向圖

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）31-0017-03

天線在各種無線通信系統(tǒng)中都是必不可少的組成部分。用來發(fā)射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線的主要功能是完成高頻電流與空間無線電波之間的能量轉換，又稱為能量轉換器。通常我們把發(fā)射機或接收機與天線連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)，由于饋線系統(tǒng)和天線的聯(lián)系非常密切，因此我們把天線和饋線系統(tǒng)看成一個元件，統(tǒng)稱為天線饋線系統(tǒng)，簡稱天饋系統(tǒng)。天饋系統(tǒng)是用來接收和發(fā)射網(wǎng)絡信號的裝置。天饋系統(tǒng)的應用及其廣發(fā)，如2G/3G/4G移動通信、電視、Wifi、雷達、導航、氣象等領域。天饋系統(tǒng)技術是高職院校移動通信技術專業(yè)的一門基礎課，本文應用Ansoft HFSS仿真軟件結合項目式教學模式進行本門課程的實訓內(nèi)容教學，達到了良好的教學效果，顯著提升了高職學生對天饋系統(tǒng)的探究興趣，為進一步學習移動通信系統(tǒng)打下了堅實的基礎。

一、HFSS軟件介紹

HFSS是高頻結構仿真器（ High Frequency Structure Simulator）

的縮寫，是美國Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件。Ansoft HFSS提供了極高的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、精確自適應的求解方式、擁有強大的后處理器來分析天線的電性能，能計算任意形狀三維無源結構的S參數(shù)和駐波比等參量值。HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，它可以虛擬天線模型，設置天線輸入?yún)?shù)，模擬實際通信場景下的天線輸出參量，如駐波比、方向性、輻射場3D增益圖、E/H面的方向增益圖等，幫助學生高效地設計各種高頻天線結構，從而達到快速驗證理論，降低實體天線設計成本，縮短天線設計周期的目的。Ansoft HFSS是當今無線通信系統(tǒng)中天線設計最流行的軟件之一。使用Ansoft HFSS仿真軟件設計、繪制螺旋天線的流程圖如圖1所示：

二、教學仿真實例——螺旋天線

（一）螺旋天線

螺旋天線（helical antenna）是一種外形具有螺旋形狀的天線。螺旋天線的輻射方向分布與螺旋線圓周長有關，當螺旋線的圓周長比一個波長小很多時，輻射最強的方向垂直于螺旋軸；當螺旋線圓周長比一個波長大很多時，最強輻射方向出現(xiàn)在螺旋軸上。其中平面等角螺旋天線的最大輻射方向是在平面兩邊的法向方向上，并輻射圓極化波。

平面等角螺旋天線若按角度條件由兩個對稱金屬臂組成時，它可看成是一條變形的傳輸線。由于這種天線的外形只由角度決定，不包含線性長度，因而天線的特性不受頻率變化的影響，故具有極寬的頻帶。因螺旋天線具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效率高以及可以嵌裝的優(yōu)點，故目前的應用越來越廣泛。通常螺旋天線的饋電方法采用無限巴倫裝置作為饋電方式。

式中，r0是對應于φ=0°的矢徑；α是決定螺旋線張開快慢的一個參量，稱為螺旋率。天線的工作頻帶由截止半徑r0和天線的最外緣的半徑r決定。通常取一圈半螺旋來設計天線，即外徑r=r0*eα*3π。若以α=0.221代入，可得r=8.03*r0，則工作帶寬在8倍頻程以上。

平面等角螺旋天線的兩臂具有互相補償?shù)慕Y構，稱為自補結構。其天線的阻抗特性為一純電阻，與頻率無關。其阻抗方程如式（3）所示：

根據(jù)上述原理方程，使用HFSS軟件繪制螺旋天線，創(chuàng)建空氣盒，填充材質(zhì)為真空，并將其設為輻射邊界條件；選中本模型中螺旋平面中心處上表面，設置其上表面的饋電方式為集總端口激勵，其設置激勵源模型如圖2所示。本例中螺旋天線完整的仿真模型如圖3所示。

（三）仿真結果

實際工程測試中天線的性能主要由天線方向圖、駐波比及回波損耗等參數(shù)來表征。本實例的仿真參數(shù)中的電阻值設為188.5Ohms，求解中心頻率為2.4GHz，快速線性掃頻范圍為1.5GHz到6GHz，最大迭代次數(shù)為65，最大誤差為0.001。經(jīng)分析求解S Parameters參數(shù)圖如圖4所示，天線面電流分布如圖5所示。調(diào)整參數(shù)優(yōu)化后設置offset=5.2mm，諧振長度$L=13.43mm，得到該螺旋天線的最大增益為8.33dB，該螺旋天線3D增益方向圖如圖6所示，2D增益方向圖如圖7所示。

三、結束語

本文應用HFSS仿真軟件將螺旋天線的遠區(qū)輻射場清晰地表達出來，由仿真效果圖可清楚地判斷出3D模型空間各點輻射場的強弱，較直觀地獲取天線的增益值，可視化地觀察了螺旋天線的方向圖，將教學中一些天線的重點優(yōu)化指標進行數(shù)字化體現(xiàn)，因此更進一步加深了學生對螺旋天線性能參數(shù)的理解。

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