基于HFSS的物聯網課程中天線的實踐教學

陳書文 周近 李國豪

摘? 要： 擬將HFSS電磁仿真軟件引入物聯網天線的教學來替代實物實驗。這樣可以略去搭建實驗環境的工程操作細節，有利于精準掌握天線理論的重要概念及相關參數意義，不失為高校物聯網工程專業實驗改革的新思路。該方法的優點是，實驗者通過軟件可以較快地仿真出各種常用天線結構的回波損耗、電壓駐波比、輸入阻抗，并能可視化地獲取天線的方向圖和電流分布圖。不僅節約了實驗設備資源、提高教學效果，還調動了學生自主學習的興趣。結果表明，該方法對提升學生的實踐教學效果有巨大的促進作用。

關鍵詞： 物聯網; 實驗教學; 虛擬仿真; 天線

中圖分類號：TP391.7? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：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

物聯網課程中天線[1]的教學內容包括：電磁輻射理論、各類常見天線的工作原理與電磁特性分析等。眾所周知，電磁場中的電場矢量和磁場矢量都滿足Maxwell偏微分方程組[2]，求解非常復雜，一般需要學生具有較好的數學基礎;另一方面，由于矢量結果缺乏直觀視圖，空間想象力較弱的學生則普遍理解困難。從實踐教學資源上看，傳統天線測量系統[3]的建設和使用成本較高，且設備操作頻繁，易于損壞，這對于教學經費相對緊張的高校，也不適合大規模本科生的培養。

實驗教學中，如果利用Ansoft公司的HFSS電磁仿真軟件[4]進行天線的設計與仿真，則能很好地解決上述矛盾。此仿真平臺是基于有限元（FEM）的三維電磁仿真軟件，采用成熟穩定的自適應網格剖分技術，全波分析任意形狀的三維無源結構的電磁特性，如天線的方向性系數、輸入阻抗、電壓駐波比等。此外，軟件還具有強大的數據后處理能力，如電磁場可視化[5]，即以圖形或動畫的方式展現電、磁場的空間分布及目標上的電流強度和走向。這樣，抽象的實驗形象化，且理論與實踐相結合不僅加深了學生對課堂知識的理解，還提高了學生的學習興趣和效率。本文以半波偶極子天線、微帶貼片天線的教學為例，介紹HFSS仿真軟件在天線實驗課程中的應用。

1 HFSS在半波偶極子天線實驗中的應用

半波偶極子天線由兩根直徑、長度都相等的直導線組成，如圖1所示。每根導線長度為1/4個工作波長，激勵端口為電壓激勵，天線對稱雙臂上的電流分布用以下公式表達以上電場、磁場矢量表達式較為抽象、復雜，不直觀，學生不易理解。下面利用HFSS軟件仿真，研究天線的輻射場，以及其他重要特性。天線三維建模如圖1所示，半波偶極子天線材質設為理想導體，工作波長為100mm。天線總長度，即雙臂長度之和，為0.5個波長，雙臂的橫截面圓的半徑設置為0.5mm。仿真時需注意天線饋電采用集總端口的激勵方式，吸收邊界條件為輻射條件，求解頻率設置在3.0GHz。仿真結果如圖2所示。從圖2回波損耗（S11參數）曲線可以看出，天線的工作頻率在諧振點3.0GHz。天線的阻抗匹配工作需要消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。從圖3輸入阻抗曲線可以看出，天線的在3.0GHz工作頻點的輸入阻抗實部為50歐姆，虛部為零。圖4非常直觀地顯示了偶極子天線的3D輻射方向圖，可以看出xoy平面上有天線的最大輻射方向，與理論上的方向因子函數完全吻合。

首先是建立天線模型，根據估算公式，設置輻射貼片長度為30.2mm，寬度為37.3mm，介質基片材料選為環氧樹脂板，厚度設為1.6mm，相對介電常數為4.4。把介質基片的底面設置為理想導體邊界，然后建立距離輻射體不小于1/4個工作波長的吸收邊界。最后設置求解的中心頻率為2.45GHz，同時添加1.5GHz～3.5GHz的掃頻設置，啟動仿真。從圖6的S11參數掃頻結果可以看出，當金屬貼片長度為28mm時，天線的諧振頻率落在2.45GHz，滿足設計指標。此時，微帶天線的二維和三維的輻射特性如圖7、圖8所示，可以看出z+方向是天線的最大輻射方向。

仿真實驗結果驗證了貼片天線理論的正確性。學生如果感興趣，還可以利用課余時間，自主研究天線的貼片寬度、基片的相對介電常數等參數對諧振頻點的影響情況，充分發揮學習的主觀能動性，提高教學效果。

3 結論

以仿真軟件為手段的天線與微波電路設計方法，已廣泛應用于科研與電子工業之中。利用仿真軟件進行本科生的專業教學，能讓學生盡早地掌握本行業流行軟件的使用方法，與工業界無縫對接。這是高校產學研結合的重要途徑和提高人才培養質量的內在要求。用基于Ansoft公司的HFSS軟件，本文以半波偶極子天線和微帶貼片天線的設計為例，介紹了相關知識的仿真教學過程，驗證了相關理論的正確性。此方法有利于加深學生對課堂知識的理解，讓學生初步掌握常用天線的設計方法。

參考文獻（References）：

[1] 黃玉蘭.物聯網射頻識別核心技術詳解（第三版）[M].人民郵電出版社，2016.

[2] John D. Kraus.天線（第三版）[M].電子工業出版社，2006.

[3] Thomas A. Milligan.現代天線設計（第二版）[M].電子工業出版社，2012.

[4] 李明洋.HFSS電磁仿真設計從入門到精通[M].人民郵電出版社，2008.