HFSS仿真軟件在天線教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用_圖文

1、Ansoft HFSS仿真軟件在天線教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用侯維娜,邵建興(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶400065摘要:針對(duì)目前大中專院校在天線課程教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)不足的種種困難.利用基于有限元方法的電磁 仿真軟件HFSS 10.0,將實(shí)物天線教學(xué)實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算代替,這一方法能解決天線教學(xué)實(shí)驗(yàn)難的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞:天線;HFSS 10.O:仿真;教學(xué)實(shí)踐Application of Ansoft HFSS in teaching experiment of antennaHOU Weina,SHAO Jianxing(College of Electronic Enslneering,C

2、hongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065.P.R.China Abstract:As to many difficulties in the academy processes of actual antenna teaching experiment,HFSS 10.0is applied assubstitute for actual teaching experiment of antenna,which is a kind of electromagnetic software based

3、on the finite element method(FEM.This method Can be used to solve the difficulties in teaching experiment of antenna successfully.Key words:antenna;HFSS 10.0;simulation;teaching experiment0引 言掌握天線的基本理論知識(shí),并具備這些知識(shí)的 應(yīng)用能力,是通信工程專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)學(xué)生所必 須需擁有的。天線理論是建立于麥克斯韋方程及 其邊界條件之上的,天線問(wèn)題的求解通常要涉及高 深的數(shù)學(xué)理論知識(shí),因此顯得比較抽象。此

4、外天線 課程與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系十分緊密,它是一門(mén)實(shí)踐 性很強(qiáng)的課程,在天線教學(xué)過(guò)程中,必須采用理論 與實(shí)踐相結(jié)合的手段,才能取得良好的教學(xué)效果, 然而目前很多科研院校的天線課程教學(xué)還是采取 課堂講授的傳統(tǒng)授課方式,缺乏與之配套的實(shí)驗(yàn)教 學(xué)環(huán)節(jié),學(xué)生缺少實(shí)踐機(jī)會(huì),造成大部分學(xué)生對(duì)天 線理論知識(shí)理解困難,并且缺乏實(shí)踐應(yīng)用能力¨。1。 天線實(shí)驗(yàn)是天線教學(xué)過(guò)程中一個(gè)非常重要的 環(huán)節(jié),但很多院校的天線實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)不足,原因有三:第一,天線測(cè)試場(chǎng)地要求較高,如天線的野外測(cè)試 場(chǎng)面積要足夠大,且沒(méi)有樹(shù)木、房屋等的遮擋,地面 導(dǎo)電性能要好;第二,天線的測(cè)試設(shè)備(比如天線微 波暗室、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分

5、析儀等非常昂 貴;第三,天線的種類繁多,很多天線的制作要求較 高,周期較長(zhǎng)等。這些困難大大制約了科研院所的 天線實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的順利開(kāi)展。收稿日期:2009-02-25針對(duì)以上天線教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中所存在的問(wèn)題,可 以利用電磁仿真軟件,如Ansofl HFSS,IE3D,Agilent ADS等,將天線實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)替代, 從而有效節(jié)省教學(xué)成本,提高教學(xué)質(zhì)量。本文主要介 紹Ansoft HFSS 10.0在天線仿真中的應(yīng)用。1Ansoft HFSS簡(jiǎn)介Ansofi HFSS是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié) 構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件,可分析仿真任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu) 的高頻電磁場(chǎng),可直接得到特征阻抗、傳播常

6、數(shù)、S 參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。經(jīng)過(guò) 二十多年的發(fā)展,Ansofi HFSS以其無(wú)以倫比的仿真 精度和可靠性,快捷的仿真速度,方便易用的操作 界面,穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù),成為高頻 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)廣泛地應(yīng)用 于航空、航天、電子、半導(dǎo)體及通信等諸多領(lǐng)域,幫 助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu),如:射頻和微波部件、天線、天線陣和天線罩、電真空器件、研 究目標(biāo)特性和系緲部件的電磁兼容/電磁干擾特 性等,從而降低了設(shè)計(jì)成本,減少了設(shè)計(jì)周期,增強(qiáng) 了競(jìng)爭(zhēng)力。HFSS采用的理論基礎(chǔ)是基于有限元方法的一 種電磁場(chǎng)仿真分析軟件。由于分析和測(cè)量真實(shí)天 線的各種電參數(shù)往往要

7、花費(fèi)很大的代價(jià),因此可以一87 萬(wàn) 方數(shù)據(jù) 通過(guò)在Ansofi HFSS中建立所需研究的天線仿真模 型,并設(shè)置好相應(yīng)的頻率、激勵(lì)源、輻射邊界、精度 等參數(shù),通過(guò)Ansofi HFSS仿真就能夠得到天線的方 向圖、增益、效率、阻抗帶寬等仿真結(jié)果。工程實(shí)踐 表明,采用Ansofi HFSS所得到的仿真結(jié)果與真實(shí)天 線的實(shí)測(cè)結(jié)果十分吻合,所以在天線的前期設(shè)計(jì) 中,可以通過(guò)Ansofi HFSS仿真分析天線的性能,從 而有助于高效設(shè)計(jì)性能良好的天線。此外,可以將Ansofi HFSS與Matlab相結(jié)合,利 用Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和圖像可視化的能力,將AnsoflHFSS中多個(gè)仿真圖像在Matl

8、ab中以一個(gè)圖形顯示出來(lái),從而可以簡(jiǎn)單分析天線的性能。學(xué)生 可以根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí),通過(guò)利用Ansofi HFSS構(gòu) 建其所需仿真的天線模型并進(jìn)行仿真計(jì)算,將仿真 結(jié)果與書(shū)中的理論相結(jié)合,就實(shí)現(xiàn)了天線理論教學(xué) 與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的組合,便于學(xué)生對(duì)天線的整體工 作特性有更深的理解,從而有助于教師有效提高教 學(xué)的質(zhì)量與效率。 2AnsoftHFSS教學(xué)實(shí)例2.1圓柱對(duì)稱天線的輻射在電磁場(chǎng)輻射理論中,圓柱細(xì)偶極天線的輻射場(chǎng)問(wèn)題是一個(gè)很典型的分析實(shí)例。在一些教科書(shū) 中,對(duì)有限長(zhǎng)圓柱對(duì)稱天線的分析主要采用矩量法 對(duì)海倫積分方程進(jìn)行數(shù)值求解一1,其中要涉及大量 的數(shù)值計(jì)算及編程,且其空間的電磁場(chǎng)輻射圖形的 描

9、述也是學(xué)生較難掌握的內(nèi)容,但是借助于Ansofl HFSS,將大大促進(jìn)學(xué)生對(duì)該部分知識(shí)的理解。天線的仿真模型圖如圖l所示。天線的具體尺寸為:天線全長(zhǎng)500am,圓柱半徑3mm。 圖1圓柱對(duì)稱天線仿真模型圖用電磁仿真軟件HFSS 10.0圓柱對(duì)稱天線進(jìn)行 仿真,其回波損耗圖及輻射方向圖分別如圖2及圖 3所示。一88DIGITAL COMMUNICATION/2009.8圖2圓柱對(duì)稱天線駐波比圖(a圓柱對(duì)稱天線輻射方向圖妒=900¨姍R“ath,“iI_:霄黑祟12:0639II、h,LlEnI蘸 猷黼一.蠖 裂-I兮、 卅5000 50.002舡 ll,Ih(b圓柱對(duì)稱天線輻射方向圖o

10、=900圖3圓柱對(duì)稱天線輻射方向圖從圖2可知,圓柱對(duì)稱天線的阻抗帶寬較小,可 以通過(guò)采用各種加載技術(shù)提高天線的阻抗帶寬。 從圖3可知,天線的E面的方向圖呈倒8字形,增益 為4dB,其面的方向圖為全向輻射,增益為0dB。2.2微帶天線的輻射微帶天線的概念首先是由Desehamps于1953年提出的,最早的微帶天線是由Howell。4。和MunsonL5。在20世紀(jì)70年代初研制成功的。微帶天線由于具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、容易集成及易于 與表面共性等諸多優(yōu)點(diǎn),在移動(dòng)通信、航空航天、電 子對(duì)抗及雷達(dá)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,微帶天線已經(jīng)成為 廣大天線理論工作者重點(diǎn)研究的課題之一。微帶 天線的分析方法主要有

11、傳輸線方法、空腔模型法、 矩量法、有限元方法及時(shí)域有限差分方法等6I,但是這些方法的理論分析都需要具有較為深厚的數(shù) 學(xué)知識(shí)和電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)。這就導(dǎo)致了學(xué)牛在學(xué) 習(xí)這部分知識(shí)過(guò)程中難于接受理解的后果,然而借 助于Ansofl HFSS和相應(yīng)的微帶天線設(shè)計(jì)手冊(cè),可以較為全面地理解微帶天線的整體性能。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 典型的微帶天線的仿真模型圖如圖4所示,采 用同軸線饋電。微帶天線的尺寸為:輻射板尺寸:20mmx30mm;介質(zhì)板材料:Rogers RT/duroid 5880,相對(duì)介 電常數(shù)占,=2.2,損耗角正切tam5=0.0009;介質(zhì)板尺寸:40nllTl×50mill X3mm;接地板尺

12、寸:40mm×50mm;饋電點(diǎn)位置:(7.5mm,11.25ram 圖4微帶天線仿真模型圖用電磁仿真軟件HFSS 10.0圓柱對(duì)微帶天線進(jìn) 行仿真,其回波損耗圖及輻射方向圖分別如圖5及 圖6所示。圖5微帶天線的回波損耗圖圖6微帶天線的輻射方向圖從圖5可以看出,普通微帶天線的阻抗帶寬通 常很窄,當(dāng)回波損耗小于一10.0dB時(shí),天線的阻抗 帶寬僅有20MHz。從圖6可知,由于接地板的影 響,微帶天線的輻射為上半空間的輻射,其增益約 為9.139dB。因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中微帶天線的接地板 不可能為無(wú)限大,所以天線存在一定的后向輻射。此外,通過(guò)Ansofi HFSS還可以得到天線的駐波 比圖形、天

13、線的效率及Smith圖形等,從而為學(xué)生全 面理解天線的性能起到了很大的幫助作用。 3結(jié)語(yǔ)利用Ansofl HFSS電磁仿真軟件可以真實(shí)地反映實(shí)際天線的工作狀況,對(duì)于比較復(fù)雜的天線,采 用該軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真分析計(jì)算具有速度快、周 期短、復(fù)雜度降低、簡(jiǎn)單明了等優(yōu)點(diǎn),從而可以加快 天線的整體設(shè)計(jì)周期。我們將該軟件應(yīng)用于實(shí)際 教學(xué)環(huán)節(jié)中,成功地解決了天線課程實(shí)驗(yàn)難的問(wèn)題,通過(guò)讓學(xué)生自己進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證,大大提高 了學(xué)生的理解能力,鍛煉了其實(shí)際操作能力,激發(fā) 了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,開(kāi)拓了學(xué)生的視野,為他們適 應(yīng)今后的工作崗位打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn):1李麗霞,王軍延.基于Matlab的電磁場(chǎng)圖示化教學(xué)

14、 J.孝感學(xué)院學(xué)報(bào),2006,26(3:120.121.2】趙林,柳超,朱婷婷.Super NEC仿真計(jì)算技術(shù)在天 線教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(197-99. 3謝處方.加載與媒質(zhì)中的天線M.成都:電子科技 大學(xué)出版社.1990:4-44.4HOWELL J Q.Microstrip antennasJ.IEEEAPSInt.Syrup.Digest,1972,22:177-180.5MUNSON R E.Conformalmicrostripantennas and mi.crostrip phasedarraysJ.IEEETrans.On Antennasand

15、 Propagation.1974,22:7478.6賀秀蓮.微帶天線的數(shù)學(xué)建模理論與數(shù)值分析方法研 究D.西安:西安電子科技大學(xué),2005:1.10.作者簡(jiǎn)介:侯維娜(1967一,女.河北保定人,講師,碩士,主要研 究方向?yàn)殡姶泡椛渑c散射、天線理論與技術(shù),E-mail:.ell。一89萬(wàn)方數(shù)據(jù) 微波 EDA 網(wǎng)視頻培訓(xùn)教程推薦微波 EDA 網(wǎng) (成立于 2004年底,并于翌年與易迪拓培訓(xùn)合并,專注于微波、 射頻和硬件工程師的培養(yǎng), 現(xiàn)已發(fā)展成為國(guó)內(nèi)最大的微波射頻和無(wú)線通信人才培養(yǎng)基地。 先后與人民郵電出版社、 電子工業(yè)出版社合作出版了多本專業(yè)圖書(shū), 成功推出了多套

16、微波射頻 經(jīng)典培訓(xùn)課程和 ADS 、 HFSS 等軟件的使用培訓(xùn)課程,廣受工程技術(shù)學(xué)員的好評(píng),幫助數(shù)萬(wàn)名 工程師提升了專業(yè)技術(shù)能力?？蛻舯椴贾信d通訊、研通高頻、埃威航電、國(guó)人通信等多家國(guó)內(nèi) 知名公司,以及臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院、永業(yè)科技、全一電子等多家臺(tái)灣地區(qū)企業(yè)。 HFSS 中文視頻培訓(xùn)課程套裝國(guó)內(nèi)最全面和專業(yè)的 HFSS 培訓(xùn)教程套裝,包含 5 套視頻教程 和 2本教材,李明洋老師講解;結(jié)合最新工程案例,視頻操作 演示,讓 HFSS 學(xué)習(xí)不再難。購(gòu)買(mǎi)套裝更可超值贈(zèng)送 3個(gè)月免 費(fèi)學(xué)習(xí)答疑,讓您花最少的成本,以最快的速度自學(xué)掌握 HFSS 【點(diǎn)擊瀏覽詳情】?jī)芍軐W(xué)會(huì) HFSS 中文視頻教程李明洋主講,視頻同步操作演示,直觀易學(xué)。課程從零講起,通過(guò)兩周的課程學(xué)習(xí),可以 幫助您快速入門(mén)、自學(xué)掌握 HFSS ,真正做到讓 HFSS 學(xué)習(xí)不再難【點(diǎn)擊瀏覽詳情】HFSS 微波器件仿真分析實(shí)例 中文視頻教程HFSS 進(jìn)階培訓(xùn)課程, 中文視頻, 通過(guò)十個(gè) HFSS 仿真設(shè)計(jì)工程應(yīng)用實(shí)例, 帶您更深入學(xué) 習(xí) HFSS 的實(shí)際應(yīng)用,掌握 HFSS 高級(jí)設(shè)置和應(yīng)用技巧【點(diǎn)擊瀏覽詳情】HH 微波射頻測(cè)量?jī)x器培訓(xùn)課程套裝合集搞射頻微波,不會(huì)儀器操作怎么行!矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜儀、 示波器、信號(hào)源是微波射頻工程師最常用的測(cè)量?jī)x器。該培訓(xùn)