基于HFSS的微波器件仿真實驗設計與應用

屈樂樂, 楊天虹, 胡愛玲, 李 軒

(沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，沈陽 110136)

基于HFSS的微波器件仿真實驗設計與應用

屈樂樂, 楊天虹, 胡愛玲, 李 軒

(沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，沈陽 110136)

針對目前高校微波技術教學中課程理論性強、直觀性實驗少的特點，提出在教學過程中引入高頻結構仿真器(HFSS)電磁仿真軟件，通過設計基于HFSS的微波器件仿真實驗，使課堂理論教學與仿真技術相結合，實現理論與實踐教學的有機結合。實際教學效果表明,將電磁仿真實驗引入課堂教學，提高了學生的學習興趣與工程實踐能力，增強了學生的自主學習能力和創新思維能力，對培養學生綜合素質起到了積極的促進作用。

微波技術； 仿真實驗； 教學方法； 高頻結構仿真器

0 引 言

微波技術課程作為電子信息類專業必修課，其知識在軍用和民用等領域均有廣泛的應用，但是這門課程理論知識多、數學公式多、直觀性實驗少，使得學生對知識的理解和應用存在諸多困惑[1-2]。另外90后學生思維活躍，喜歡和教師探討他們所感興趣的問題，更喜歡把想法付諸實踐。利用他們的這一特點，在講解理論的同時增加工程實例，本文通過高頻結構仿真器(High Frequency Structure Simulator,HFSS)軟件對一些微波器件進行仿真設計，能夠驗證教師講授的理論知識，讓學生加深印象，從而加強對場技術的感性認識，消除學生學習理論知識的畏難心理，有效提高教學效果，提升學生的課堂學習興趣[3-5]。

1 HFSS簡介

HFSS是一款最早引入我國的電磁仿真軟件，可以分析、仿真任意三維無源結構的高頻電磁場。利用其對微波器件進行建模仿真，可得出工作頻率、品質因數、S參數矩陣和全波電磁場等[6]。HFSS以其無與倫比的仿真精度，高效快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩定成熟的自適應網格剖分技術成為高頻結構設計的首選工具和行業標準[7]。在理論課中穿插HFSS仿真設計驗證實驗，把理論教學和仿真實驗教學有效結合起來，使課堂上所授的理論知識能夠形象直觀地展現給學生，這不僅使課堂教學生動有趣，更加深學生對理論知識的理解，為學生后期進入實驗室進行實物驗證提供了一定的實驗基礎。

2 基于HFSS的微波器件仿真實驗設計

2.1 諧振腔

諧振腔是用于微波波段的諧振電路，一般是由導體制成的封閉空腔，電磁波在腔內連續反射，當模式和頻率合適時就會形成駐波，發生諧振。由于電磁場被限制在腔體內部，沒有輻射損耗，故諧振腔的品質因數比較高[8]。常用的矩形諧振腔和圓柱諧振腔是按照諧振腔的結構來命名的，下面針對這2種諧振腔分別說明其設計過程及仿真實驗結果。假定兩種諧振腔均在10 GHz時發生諧振，腔體材料選擇黃銅，設定腔內為空氣。

2.1.1 矩形諧振腔

矩形諧振腔是在矩形波導(寬邊尺寸a，窄邊尺寸b)的適當位置放置兩塊封閉的金屬平板所構成的長方體金屬空腔，腔體幾何尺寸為a×b×l。矩形諧振腔的諧振長度l要滿足半個諧振相波長的整數倍，若同時考慮單模諧振問題，矩形諧振腔只諧振TE101模式的條件為[9]:

(1)

式中,λ0為工作波長。當確定諧振頻率為10 GHz,即工作波長λ0=3 cm時，選擇規范化國產波導BJ-100型得到a=2.286 cm，b=1.016 cm，l=1.988 cm，利用HFSS軟件進行建模，建立的仿真模型如圖1所示。

利用HFSS進行仿真計算，選擇本征模求解模式，迭代次數為20次，收斂誤差為2.5%，得到該諧振腔的諧振頻率為9.99 GHz，品質因數為7 820，并獲得其截面上的場分布，場分布如圖2～4所示。

2.1.2 圓柱諧振腔

圖1 矩形諧振腔HFSS仿真模型

(a) 電場分布

(b) 磁場分布

(a) 電場分布

(b) 磁場分布

(a) 電場分布

(b) 磁場分布

(2)

因TE01模在圓波導中不是主模，故TE011諧振模在圓柱腔內不易實現單模諧振，但由于該模式的品質因數最大而常用于波長計和穩頻腔中。

當諧振中心頻率f0=10 GHz時，通過圖5及式(2)，可以確定D=4.4 cm，l=2.7 cm，據此建模，仿真模型如圖6所示。

圖5 圓柱諧振腔模式圖

圖6 圓柱諧振腔HFSS仿真模型

表1 圓柱腔諧振頻率及品質因數

可見，頻率在10 GHz發生諧振，對應TE011模，而此模式對應的品質因數遠大于其他模式，與理論相符。圓柱諧振腔場分布如圖7、8所示。

(a) 電場分布

(b) 磁場分布

(a) 電場分布

(b) 磁場分布

2.2 微帶混合環

混合環是一種典型的定向耦合器，早期由波導制成，雖功率大，但體積笨重。微帶混合環具有體積小、質量輕、易加工等優點，在小功率微波集成平衡混頻器中，作為功分器而獲得廣泛應用。

混合環是四端口網絡，結構如圖9所示，具有兩個端口互相隔離，另外兩個端口平分輸入功率的特性，此時可看做是一個3 dB不變阻定向耦合器。該系統應滿足結構對稱，當1口輸入時，3口無輸出，而2口和4口有等幅同相輸出；當3口輸入時，1口無輸出，而2口和4口有等幅反相輸出[11-13]。

圖9 微帶混合環結構圖

混合環的散射參量矩陣可以表示為

(3)

表2 混合環各部分尺寸

建立的仿真模型如圖10所示。金屬帶部分設定為理想導體，激勵方式選擇4個端口為波端口激勵，經仿真分析得到S參數的掃描特性如圖11所示。從結果中可得，在10 GHz處，2口和4口輸出功率為1口輸入功率的1/2(S12和S14約為-3 dB)，3口和1口隔離(S13約為-42 dB)，1口自身匹配(S11約為-34 dB)。

圖10 混合環HFSS仿真模型

圖11 混合環S參數隨頻率變化關系曲線

散射參量S矩陣與端口位置的選擇密切相關，將端口平移至圓環附近得到S矩陣，結果如圖12所示，可見仿真結果與理論基本一致。

圖12 S矩陣求解結果

3 結 語

目前，微波技術的課堂教學大都停留在理論介紹和公示的推導，本文提出在教學中引入利用HFSS設計的微波器件仿真實驗，授課教師可以形象生動地對理論知識進行講解、補充，讓學生對所學知識有更深入的理解和認識。另外，現在的學生非常喜歡實驗操作，在課堂引入微波仿真實驗后，他們的主觀能動性被調動起來，在課余自主學習HFSS軟件應用，并通過仿真實例學習微波器件的設計。由此可見，將HFSS引入微波技術教學中，大大地提升了教學效果，同時也提高了學生的學習興趣，增強了學生發現問題和解決問題的能力。

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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

遼寧省教學改革研究項目(UPRP20140380);沈陽航空航天大學教學改革研究項目(01011679)

屈樂樂(1983-)，男，河南焦作人，博士，副教授，主要從事雷達技術研究工作和電磁場與微波技術教學工作。

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

TM 924.76;G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0086-04