基于HFSS的電磁場仿真實驗課堂設(shè)計

楊慧春， 高晶敏， 魏 英， 王麗霞， 付曉輝

(北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院， 北京 100101)

0 引言

“微波技術(shù)基礎(chǔ)”是通信、電子類專業(yè)的核心課程之一，該門課程是看不見摸不著的“場”的后續(xù)應(yīng)用，具有抽象不直觀、實踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。鑒于此，在講述“微波技術(shù)基礎(chǔ)”理論時，增加工程實例，進(jìn)行基于項目的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，利用ANSOFT HFSS仿真設(shè)計三端口的功分器和四端口的定向耦合器，驗證S參數(shù)及場分布，加深對抽象場的認(rèn)識，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[1～3]。

ANSOFT HFSS是一款三維電磁仿真軟件，可以用來計算天線、微波元器件的輻射特性、S參數(shù)等，“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程引入該軟件可以仿真三維場的分布和散射參數(shù)，結(jié)合先修電路課程，加深學(xué)生對“場”與“路”兩種分析問題方法的理解。

1 電磁場實驗教學(xué)的仿真設(shè)計

1.1 正交混合電橋

正交混合電橋是應(yīng)用廣泛的一種定向耦合器，具有體積輕巧容易加工的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)見下圖1，它具有一個輸入口、兩個輸出口和一個隔離口。

若輸入口①輸入信號時，經(jīng)過直通臂由輸出口②的輸出信號與經(jīng)過耦合臂由輸出口③的輸出信號有90°相位差故正交；隔離口④隔離。

圖1 正交混合電橋結(jié)構(gòu)

正交混合電橋具有結(jié)構(gòu)對稱性，由輸入口①輸入的功率分配如下：輸入口①匹配無反射；直通臂輸出口；②輸出一半功率，相位滯后π/2；耦合臂輸出口；③輸出另一半功率，相位滯后 ；隔離口；④無輸出。當(dāng)然，正交混合電橋的任一端口都可用作輸入，兩輸出端口總是在與輸入端口相反的一邊，散射參數(shù)S矩陣的理論值為：

(1)

表1 正交混合電橋的尺寸

ANSOFT HFSS仿真正交混合電橋模型見下圖2，導(dǎo)帶部分設(shè)置為理想導(dǎo)體，中心頻率設(shè)置為1.85 GHz，計算頻帶設(shè)置為1.75 GHz-1.95 GHz，四個端口設(shè)置成集總端口，選擇Lump port。

仿真計算的S參數(shù)隨頻率變化見下圖3，中心頻率1.85 GHz處的S參數(shù)分別為：S21=S31≈-3 dB，可見2、3端口平分1端口的輸入功率；S41=-35 dB，可見4端口和1端口隔離良好；S11=-38 dB， 可見1端口自身匹配良好。

圖2 正交混合電橋仿真模型

圖3 正交混合電橋S參數(shù)隨頻率的變化

1.2 波導(dǎo)H-T接頭

波導(dǎo)H-T接頭在微波系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，可用作功率分配器或功率合成器。H-T接頭結(jié)構(gòu)及仿真模型見圖4。

(a)結(jié)構(gòu) (b)仿真模型圖4 H-T接頭

(2)

ANSOFT HFSS仿真H-T接頭，腔體部分設(shè)置為理想導(dǎo)體，中心頻率設(shè)置為9.0 GHz，計算頻帶設(shè)置為8.0 GHz -10.0 GHz，四個端口設(shè)置成集總端口，選擇Wave port。

仿真計算的散射參數(shù)隨頻率變化見圖5，③端口匹配輸入時，S33=-16 dB；端口①和端口②完全對稱，S13=S23≈-3 dB；仿真計算的TE10模電場分布見圖6；與理論吻合。

圖5 H-T接頭散射參數(shù)隨頻率的變化

圖6 H-T接頭TE10模的電場分布圖

結(jié)合波導(dǎo)H-T接頭的場分布圖及散射參數(shù)可以引入 “場”與“路”這兩種分析問題的途徑。

1.3 定向通信天線

微帶天線因體積小重量輕、低剖面、易實現(xiàn)雙頻段等功能而廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感、制導(dǎo)武器以及便攜式無線電設(shè)備上。圖7 基于ANSOFT HFSS仿真了矩形貼片天線，特性阻抗50歐姆，中心頻率1.575GHz，回波損耗-13.67dB，增益約7dB，可實現(xiàn)定向通信。

圖7 矩形貼片天線

天線尺寸如下：地長度和寬度都取100mm；介質(zhì)層位于地的正上方，其高度為5mm,長度和寬度都取80mm；使用半徑為0.5mm的圓柱體模擬同軸饋線的內(nèi)芯，圓柱體與z軸平行放置，圓柱體的底面圓心坐標(biāo)為(9.5mm,0,0)，設(shè)置圓柱體材質(zhì)為理想導(dǎo)體，圓柱體頂部與微帶貼片相接，底部與參考地相接，在與圓柱體相接的參考地面上挖出一個半徑1.5mm的圓孔，作為信號輸入端。

輻射貼片的尺寸48.11m*64.4mm時天線的諧振頻點(diǎn)為1.575GHz，圖8可以看出，諧振點(diǎn)時天線的散射參數(shù)S11=-13.67dB，小于-10dB的工程應(yīng)用要求。從三維增益方向圖9中可以看出最大輻射方向是微帶貼片的法相，增益約7.0dB，可用于定向通行。

3 結(jié)語

本文基于ANSOFT HFSS電磁軟件仿真了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的H-T接頭、微帶結(jié)構(gòu)的定向耦合器，從兩個輸出端口的S參數(shù)可以看出H-T接頭、3dB正交混合電橋平分輸入功率的特性，加深學(xué)生理解微波元件在工程應(yīng)用中的作用。

討論了“微波技術(shù)基礎(chǔ)”中“場”的分析方法，并結(jié)合先修電路課程的 “路”分析方法進(jìn)行了教學(xué)，讓學(xué)生理解是“場”與“路”只時分析問題的不同途徑，兩者息息相關(guān)，加深學(xué)生對不同課程內(nèi)容的理解，實現(xiàn)融會貫通[7～9]。(楊慧春文)

圖8 S參數(shù)

圖9 三維方向圖