HFSS在微波天線教學中的應用

李云瀟

(山東農業大學 信息科學與工程學院,山東 泰安271018)

加強HFSS仿真軟件在微波天線中的應用正當其時。多年來,隨著通信技術發展,微波低頻段的頻譜干擾日趨嚴重,逐漸不能滿足人們日常的通信需求。毫米波不僅頻帶寬,而且具有傳輸速度快、通信安全性高、傳輸質量好等優點,極大地彌補了微波低頻傳輸的缺點,因而學界愈加關注頻譜資源豐富的毫米波頻段[1-2]。在通信工程領域,微波技術與天線是相關學科學生的重要課程,主要涵蓋電磁場、電磁波相關知識,但其內容較為抽象、公式相對繁雜,尤其是微波天線的工作過程難以演示,相關內容長期以來是學生學習的難點[3]。

本研究著眼的HFSS(全稱為仿真軟件HFSS),可以有效地解決內容抽象、公式難以理解等問題,且便于隨堂演示,適合學生就仿真微波天線工作過程進行實操實踐。

1 教學中的常見問題

在以往教學中,由于常見的微波天線規格十分微小,課堂上難以實現微小器件工作原理的演示,而操作試驗箱大概率出現明顯誤差現象。相較與此,HFSS在模型建立過程中,大小、尺寸易于設置,邊界條件添加方便,參數修訂靈活,適合模擬天線類小尺寸器件,學生經簡單學習后便可熟練掌握。在實驗過程中,HFSS可采用三維視角操作,產生圖像立體直觀、精準度高、嚴謹客觀、色彩鮮明,且能夠實現動態演示。因而在理論學習的過程中借助仿真軟件HFSS不失為輔助教學的良好方案。

本課題還了解到,教學實踐中發現了若干使用HFSS不便的情況。例如HFSS適合波長等于電器尺寸的仿真,如仿真分布參數電路,但部分課程還會涉及集總參數電路,該電路中的R(電阻)C(電容)L(電感)等器件波長遠大于電系統的實際尺寸,單純依靠HFSS天線仿真實驗繁瑣、過程復雜,完成困難度較高。經過研究,現已能采取多種方式加以克服,一是利用阻抗邊界條件,將其邊界設置LumpRLC,一邊默認為直接與地面連接,便可以簡易地承擔集總參數的仿真；二是配合使用專門適合仿真集總參數電路的仿真軟件,如ADS仿真軟件,運用多系統配合達到更好的效果。

半波偶極子天線是一種經典的基本線天線,業界使用極為廣泛,本課題將實驗中常用的電磁場仿真軟件HFSS應用到微波天線的實驗當中,以半波偶極子天線的仿真過程為例,介紹設置參數、模型建立、數據處理、圖形建立等主要方面的情況。

2 設置參數

半波偶極子天線由兩根直徑和長度都相等的直導線組成,每根導線的長度為1/4個工作波長。本課題設計一個中心頻率為3GHz的半波偶極子天線,其HFSS設計模型如圖1所示。天線沿著z軸方向放置,天線材質使用理想導體,中心位于坐標原點,總長度為0.48 λ,半徑為λ/200。天線饋電采用集總端口激勵方式,端口距離為0.24 mm,輻射邊界和天線的距離為1/4波長[4]。

在建立圖形前可先在仿真軟件菜單欄中點擊HFSS下的Design Properties里進行參數的設置,參數可以自行設置其長度、單位,如實驗過程中發現參數設置過少允許隨時增添參數,在教學實踐中還可以鼓勵學生自己為系統命名。多數情況下,實驗開始之后需要建立相應的數據,定義一些基本的長度單位并賦予其初值,在后面的天線尺寸的設計中可以直接使用符號調用。

3 模型建立

3.1 建立偶極子天線模型

HFSS中創建圖形允許采用拖拽的方式,菜單中已經給出了正方體、長方體、圓柱、圓形、正六邊形等常見的,基本二維、三維圖形。創建圖形完畢,需設置圖形的大小和坐標。本實驗設計了圓柱形空氣柱和中心導體片(如圖1)。

圖1 空氣柱中的偶極子天線

在半波偶極子天線的仿真過程中,引入坐標軸復制的方法,可有效的簡化實驗步驟,創建一個1/4波長的天線臂后并將其沿y軸旋轉180°可復制生成另一個偶極子天線的臂。

3.2 設置端口激勵

本實驗使用帶內阻的電壓源集的總端口激勵來計算端口間的散射參數。集總端口激勵是HFSS中最常用的激勵方式之一,它與波端口不同是集總端口可以設置在物體模型內部,在使用之前需要設定端口阻抗,集總端口激勵直接在端口處計算s參數,設定的端口阻抗即為集總端口上s參數的參考阻抗[5]。

半波偶極子天線的仿真過程中選擇一個矩形平面作為供電裝置,將矩形激勵端口平面設置為平行于yz平面并放在兩個天線臂的中間位置,該矩形面需要把偶極子天線的兩個臂連接起來。

4 數據處理

HFSS擁有強大的數據處理功能,仿真分析完成后在數據處理部分能夠給出天線的各項性能參數的仿真分析結果,如回波損耗、輸人阻抗與駐波比。

4.1 回波損耗S11

圖2是半波偶極子天線的回波損耗與頻率的關系曲線,從分析結果可以看出回波損耗最小值約為-46.8 dB,設計的偶極子天線中心頻率約為3GHz,最低點橫坐標的值與我們所設定的頻率非常接近,相對帶寬的公式如下:

圖2 S11的掃頻分析結果

4.2 輸入阻抗與駐波比

阻抗匹配的好壞與天線等微波器件的性能密切相關,在天線調試時阻抗匹配對系統性能影響較大,若果匹配不當,會造成信號反射回源點的情況,從而降低天線的傳輸功率和器件性能甚至損壞器件[6]。要使天線輻射效率高,就必須使電纜線與天線良好地匹配,使輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗,才能使天線獲得最大功率[7]。

輸入阻抗的一般公式為[8]:

Rin包含輻射電阻Rr和導體損耗所產生的導體電阻Rσ,對良導體而言導體電阻可以被忽略,此時實部電阻僅包含輻射電阻即為:

在半波偶極子天線中輻射電阻可以近似認為是輸入電阻。綜合以上的分析,對于半波偶極子天線而言,輻射功率為:

輸入阻抗可以近似為:

從圖3中可以看出,設計的半波偶極子天線在中心頻率為3GHz上,輻射電阻為72.8 Ω與式(6)計算出的理論值Rr十分接近。

圖3 半波偶極子天線的輸入阻抗仿真結果

5 圖形建立

天線輻射的理論是抽象的,輻射能量的傳輸方式——電磁場是看不見摸不著的,學生往往難以直觀加以認識[9]。HFSS建立的立體圖像層次分明、色彩鮮艷,具有很強的視覺層次感,能妥善彌補這一不足。

天線的方向圖是指天線一定距離處,輻射場的相對場強隨方向變化的曲線圖表征天線輻射特性與空間角度關系的圖形[10]。半波偶極子立體方向圖是以兩天線之間的中心位置為坐標原點,在半徑足夠大的球面上測定其每一個點的輻射特性繪制而成,其形狀像一個紅蘋果。圖4顯示的是半波偶極子在xz面增益方向圖和xy面增益方向圖。

圖4 半波偶極子xz面和xy面增益方向圖

不僅是天線,用HFSS的仿真波導中電場幅度瞬時值同樣可以實現。圖5是創建好的匹配雙T,在仿真軟件中可以設置時間動態循環場分布圖,觀看匹配雙T場覆蓋的動態變化,這有助于使學生更直觀的理解電場在容器內的變化情況。

圖5 魔T場覆蓋圖隨時間變化后的魔T場覆蓋圖

在匹配雙T具有對口隔離,臨口完全匹配的關系,可以給任意一個端口輸入激勵來觀察其它三個端口的輸出情況,在三維圖中可以清晰地看到每一個端口的變化情況,更有助于學生理解匹配雙T的構造。

6 結論

在本實驗的微波天線的仿真過程中,HFSS展現出其易于實操的特點,教學過程中加以應用,可以根據半波偶極子天線的特性設置其數值,可以拖拽、簡化圖形,相較傳統實驗的瑣碎步驟,有助于更快的建立數據,搭建仿真時所需的環境,更加貼合課堂需求。

從回波損耗、輸入阻抗、駐波比、史密斯圓圖中可以看到,HFSS可以提供很多天線參數,能定量表征其能量轉換和定向輻射能力的量。在圖3所示的半波偶極子天線的輸入阻抗結果報告中,能夠得出其輻射電阻真實值與理論值相近,具有較高的精準度。

HFSS仿真過程中建立的三維圖像具有立體、直觀的特點,能夠給讀者留下更深刻的印象,無論是半波偶極子天線三維增益方向圖還是匹配雙T場覆蓋圖都能很好的展示其電場幅度的分布狀況,有助于操作者將實踐與理論知識加以聯系。

HFSS仿真軟件將理論與實踐相結合的教學方式,能夠有效地增補傳統微波、電磁波等課程理論抽象,公式晦澀的缺陷,有助于提高課程效率,提高學生參與學習的積極性。