程春霞 孫文方 蘇博

摘要：基于HFSS（High Frequency Structure Simulator）仿真軟件設(shè)計了微帶天線的仿真設(shè)計實(shí)驗(yàn)，通過合理的設(shè)計實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程，有效地避免了實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中相互抄襲的問題，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立研究的能力，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。通過仿真設(shè)計型實(shí)驗(yàn)不僅加深了學(xué)生對相關(guān)基礎(chǔ)知識的認(rèn)識，而且使學(xué)生熟悉了常用射頻、天線工程設(shè)計軟件，增加了學(xué)生工作和深造的競爭力。

關(guān)鍵詞：HFSS；設(shè)計型；實(shí)驗(yàn)研究；天線

中圖分類號：G482 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）23-0276-03

無線通信、射頻識別已經(jīng)滲透到民用、國防的各個方面，而天線是這些系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備，因此也就需要了解天線結(jié)構(gòu)和原理并能將其應(yīng)用于具體的工程。天線理論的基礎(chǔ)是電磁場理論，其數(shù)值求解過程非常復(fù)雜，同時它又與工程聯(lián)系緊密，必須配合必要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能培養(yǎng)出兼具理論知識和工程實(shí)踐能力的人才。

由于傳統(tǒng)的天線實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備昂貴，而且對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求較高，因此大多數(shù)高校的天線實(shí)驗(yàn)是測量天線特性的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)[1，2]，而在研發(fā)設(shè)計領(lǐng)域，電磁仿真軟件HFSS、CST、Microwave office等已成為重要的設(shè)計工具，為了滿足工程設(shè)計的需求，很多高校開設(shè)了天線的仿真實(shí)驗(yàn)[3-9]。

HFSS是使用較早而且用戶較多的一款全波三維電磁仿真軟件，該軟件的仿真模型可以直接導(dǎo)出加工，可以計算天線的回波損耗、駐波比、遠(yuǎn)場輻射方向圖、輸入阻抗等參數(shù)[10]。本文利用HFSS軟件進(jìn)行天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過合理的設(shè)計實(shí)驗(yàn)來避免仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生相互抄襲，加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的考核，使每一位學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)都能加深對基礎(chǔ)知識的理解、熟悉常用工程設(shè)計軟件，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計

設(shè)計型實(shí)驗(yàn)由教師提出微帶天線的設(shè)計指標(biāo)，學(xué)生根據(jù)指標(biāo)完成從理論設(shè)計到仿真調(diào)試的過程。

為了便于后面擴(kuò)展到實(shí)物加工調(diào)試，微帶天線的介質(zhì)板選用介電常數(shù)2.2，介質(zhì)厚度1.2mm，尺寸150mm×150mm；為了防止學(xué)生之間互相抄襲，每位學(xué)生所設(shè)計天線的中心頻率（單位MHz）與自己的學(xué)號和所在的班級相關(guān)，本屆學(xué)生共有三個小班，分別為11、21和29班，11班的中心頻率為f0-11=2000-10×n11（n11為11班學(xué)生學(xué)號的最后兩位），21班的中心頻率為f0-21=2000+10×n21（n21為21班學(xué)生學(xué)號的最后兩位），29班的中心頻率為f0-29=2000+10×n21max+10×n29（n21max為21班學(xué)生的總?cè)藬?shù)，n29為29班學(xué)生學(xué)號的最后兩位）；相對帶寬（S11<-10dB）大于0.6%。

實(shí)驗(yàn)步驟為：（1）學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成微帶天線的理論設(shè)計，并提交理論設(shè)計過程和結(jié)果，理論設(shè)計作為最終實(shí)驗(yàn)成績的一部分。（2）根據(jù)理論設(shè)計在仿真軟件中進(jìn)行建模并調(diào)試，調(diào)試過程記錄各個參數(shù)的變化對天線性能的影響，并從理論上進(jìn)行分析。（3）按照實(shí)驗(yàn)報告要求撰寫實(shí)驗(yàn)報告。

二、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

下面以中心頻率2000MHz的天線為例來介紹設(shè)計型實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程。

1.理論計算。理論計算是微帶天線設(shè)計實(shí)驗(yàn)的第一步，其輻射貼片（如圖1所示）的寬邊、長邊、輸入阻抗的計算公式如下[11，12]。

W=L=-2ΔL （1）

Z=，W≤λ，W≥λ （2）

其中，W和L分別為輻射貼片的寬度和長度，c為光速，f0為天線的中心頻率，εe和ΔL可由下面兩個式子計算。

εe=+1+12 （3）

ΔL=0.412h （4）

通信系統(tǒng)的輸入阻抗一般為50Ω，但是微帶天線輻射貼片的輸入阻抗Zin≠50Ω，因此需要把輻射貼片的輸入阻抗變換到50Ω，這就需要用到理論課中講到的阻抗匹配的相關(guān)內(nèi)容，常用的阻抗匹配有單枝節(jié)匹配、雙枝節(jié)匹配、λ/4阻抗變換器等方法，單枝節(jié)匹配和λ/4阻抗變換器是兩種比較簡單的阻抗匹配方法，可以任選一個來把微帶天線的輸入阻抗變換到50Ω。我們這里用λ/4阻抗變換器來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。w2為50Ω微帶線的線寬，w1為阻抗變換器的線寬，l1為阻抗變換器的線長，可以借助一些小軟件（比如TXLINE）來計算這四個參數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)介電常數(shù)εr=2.2、介質(zhì)厚度h=1.2mm、中心頻率f0=2000MHz，由（1）—（4）式計算出W=59.3mm、L=50.0mm、Zin=288Ω，阻抗變換器的阻抗Z1==120Ω，利用TXLINE計算得到w1=0.7mm、l1=28.3mm、w2=3.7mm。

由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中每一位學(xué)生所要實(shí)現(xiàn)的天線中心頻率都不相同，因此理論計算的輻射貼片和匹配器的尺寸各不相同，所以每一位學(xué)生都必須掌握微帶天線的理論，熟悉并會運(yùn)用理論計算的基本公式，這就有效地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和能動性。

2.仿真調(diào)試。仿真調(diào)試是微帶天線設(shè)計實(shí)驗(yàn)的第二步，根據(jù)前面的理論計算結(jié)果在HFSS中建模，如圖3所示。

仿真得到此時微帶天線饋電端口的反射系數(shù)S11，如圖4所示。從圖4中可以看出此時天線的諧振頻率為1960MHz，低于要求的諧振頻率，根據(jù)微帶天線的輻射原理我們可以知道，輻射貼片的L與其諧振頻率的關(guān)系密切，L越小諧振頻率越高，因此可以改變L來驗(yàn)證理論分析；而阻抗變換器所起的作用是把輻射貼片的輸入阻抗變換到50Ω，完全匹配時端口反射系數(shù)應(yīng)該是-∞dB，所以可以改變w1、l1來使諧振點(diǎn)S11的值最小。

微帶天線的端口反射系數(shù)S11隨L、w1、l1變化的規(guī)律如圖5所示。從圖5可以看出其變化規(guī)律與前面的理論分析一致，通過仿真調(diào)試過程加深了學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解，使學(xué)生對參數(shù)變化對S11的影響印象深刻，同時也為天線實(shí)物的調(diào)試打下了基礎(chǔ)，積累了經(jīng)驗(yàn)。

由圖5確定仿真調(diào)試后微帶天線的最終尺寸為：L=49mm、w1=0.8mm、l1=26mm，其他尺寸與理論計算值一致。此時，阻抗帶寬0.9%，滿足實(shí)驗(yàn)要求的相對帶寬（S11<-10dB）大于0.6%。

該天線端口的輸入阻抗、輻射方向如圖6—8所示。由圖6可知該天線的端口輸入阻抗近似為50Ω。圖7驗(yàn)證了微帶天線的輻射為上半空間，該天線的最大增益為8.2dB。由圖8得到該天線的E面和H面半功率波瓣寬度均為72°。

上述仿真調(diào)試過程及最終設(shè)計天線的指標(biāo)必須在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告中進(jìn)行詳細(xì)的描述，在評定實(shí)驗(yàn)報告時有嚴(yán)格的評分標(biāo)準(zhǔn)。

三、結(jié)語

將電磁仿真軟件HFSS引入到天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過合理的設(shè)計實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使每一位學(xué)生都必須理解微帶天線的設(shè)計原理，都能獨(dú)立的設(shè)計、仿真調(diào)試微帶天線，有效的避免了仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中相互抄襲的問題，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。通過直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和調(diào)試過程加深了學(xué)生對相關(guān)基礎(chǔ)知識的理解，使學(xué)生熟悉了常用射頻、天線工程設(shè)計軟件的使用和工程設(shè)計時的調(diào)試過程。通過實(shí)驗(yàn)報告的撰寫使學(xué)生熟悉研究論文的寫作要求，對學(xué)生今后工作、學(xué)習(xí)中總結(jié)研究成果，撰寫相關(guān)的總結(jié)報告、科技論文都有一定的幫助。

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