電磁仿真軟件在微波技術(shù)與天線課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

電磁仿真軟件在微波技術(shù)與天線課程教學(xué)理論中的應(yīng)用〔〕:

摘要：微波技術(shù)與天線課程具有概念抽象、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)。本文應(yīng)用ADS實(shí)現(xiàn)微帶線并聯(lián)支節(jié)阻抗匹配，應(yīng)用HFSS演示半波對(duì)稱振子天線的方向圖。理論證明在該課程中引入電磁仿真軟件有助學(xué)生理解掌握教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)步學(xué)生積極性，進(jìn)步了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；ADS；HFSS；教學(xué)理論

本文引用格式：馬立憲等.電磁仿真軟件在微波技術(shù)與天線課程教學(xué)理論中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2022，6〔14〕：58-60

微波技術(shù)與天線課程是電子通信類專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)課，該課程以工程數(shù)學(xué)、電路分析、電磁場(chǎng)與電磁波等課程為根底。與專業(yè)根底課程相比，微波技術(shù)具有較強(qiáng)的工程理論背景。該課程主要研究電磁波的傳輸與變換工程，教學(xué)內(nèi)容主要包括：微波傳輸線的概念和方程求解、微波網(wǎng)絡(luò)根底與常用元器件等。學(xué)好這門課對(duì)培養(yǎng)學(xué)生在微波工程領(lǐng)域的理論動(dòng)手才能和創(chuàng)新設(shè)計(jì)才能具有非常重要的作用。[1-2]

一課程教學(xué)中存在的挑戰(zhàn)

微波技術(shù)與天線課程中有關(guān)傳輸線的工作狀態(tài)分析、阻抗匹配方法、波導(dǎo)場(chǎng)構(gòu)造和大量微波元器件性能等內(nèi)容都非常抽象，而它們又恰好是微波工程設(shè)計(jì)的重要局部，因此如何在教學(xué)過程中使學(xué)生可以容易理解和掌握這些知識(shí)點(diǎn)是主講教師面臨的一個(gè)重要問題?！?】另外一方面，由于電磁波不可見且難以直接測(cè)量，學(xué)生缺少必要的感性認(rèn)識(shí)，從而增加了課程學(xué)習(xí)難度。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)局部，實(shí)物實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手理論才能，但存在設(shè)備價(jià)格昂貴，易損壞等缺點(diǎn)?！?】

二ADS與HFSS仿真軟件簡(jiǎn)介

安捷倫公司ADS〔AdvandedDesignSystem〕集成了芯片級(jí)、電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的仿真模塊，可以進(jìn)展各種射頻微波電路的仿真設(shè)計(jì)。能實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域和頻域電路仿真、三維電磁構(gòu)造仿真、通信系統(tǒng)仿真等。ADS可用來分析帶狀線、微帶線、共面波導(dǎo)等多種傳輸線的電磁特性，微帶天線的輻射特性以及電路上的各種寄生、耦合效應(yīng)等?！?】Ansoft公司的HFSS軟件使用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)可以求解任意無源器件的電磁場(chǎng)問題。可進(jìn)展如下功能分析與求解：多端口S參數(shù)、近遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的輻射場(chǎng)與方向性分析、端口特征阻抗和傳輸常數(shù)求解、構(gòu)造的本征模求解等。數(shù)據(jù)后處理功能強(qiáng)大，可以用表格、二維、三維動(dòng)畫、史密斯圓圖等多種形式展示仿真結(jié)果。另外還可對(duì)微波器件構(gòu)造參數(shù)進(jìn)展優(yōu)化和掃描分析?！?】

借助電磁仿真軟件能靈敏地對(duì)微波器件性能進(jìn)展分析并優(yōu)化，具有良好的可視化、形象化等特點(diǎn)，必然會(huì)加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)例，就ADS與HFSS軟件在教學(xué)理論中的應(yīng)用進(jìn)展闡述。

三教學(xué)案例1-微帶并聯(lián)單支節(jié)阻抗匹配

如圖1所示，中心頻率2.4GHz，設(shè)負(fù)載阻抗為ZL=100+j50Omega;接入特性阻抗Z0=50Omega;的傳輸線上，要用并聯(lián)開路單支節(jié)調(diào)配法實(shí)現(xiàn)負(fù)載與傳輸線的匹配?！?】試用ADS仿真軟件中的史密斯圓圖求支節(jié)的長(zhǎng)度l及離負(fù)載的間隔d。矩形波導(dǎo)主模TE10的場(chǎng)分量可表示為：

如圖2所示，采用ADS中的Smith圓圖匹配功能，能很好的解釋這一匹配過程：詳細(xì)實(shí)現(xiàn)步驟如下：

〔1〕歸一化負(fù)載阻抗，在阻抗圓圖上找到歸一化負(fù)載阻抗值，并將阻抗圓圖切換到導(dǎo)納圓圖，此時(shí)，這點(diǎn)就是負(fù)載的導(dǎo)納點(diǎn)；

〔2〕從負(fù)載點(diǎn)Yl出發(fā)，在等反射系數(shù)圓上，沿順時(shí)針方向〔向電源〕旋轉(zhuǎn)，到達(dá)等反射系數(shù)圓與導(dǎo)納圓圖上1+jx圓的交點(diǎn)1-j；

〔3〕根據(jù)第〔2〕步中挪動(dòng)的電長(zhǎng)度，得到并聯(lián)短截線間隔負(fù)載的間隔d；

〔4〕確定并聯(lián)短截線的歸一化導(dǎo)納值：等反射系數(shù)圓與導(dǎo)納圓圖上1+jx圓的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的歸一化導(dǎo)納的電納值，即為并聯(lián)短截線的歸一化導(dǎo)納值的負(fù)值；

〔5〕由圓圖上開路點(diǎn)出發(fā)，沿大圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)〔電納不變〕適宜間隔，到達(dá)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納點(diǎn)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的電長(zhǎng)度得到短截線長(zhǎng)度l的值。

在本例中，假設(shè)采用微帶線并聯(lián)開路單支節(jié)匹配，利用ADS自帶的微帶線建模與長(zhǎng)度計(jì)算功能，即可求出所求微帶線的實(shí)際長(zhǎng)度l與離負(fù)載的微帶線實(shí)際間隔d。

四教學(xué)案例2-矩形波導(dǎo)主模場(chǎng)構(gòu)造

矩形波導(dǎo)主模的場(chǎng)構(gòu)造是分析和研究波導(dǎo)問題、形式的鼓勵(lì)，設(shè)計(jì)波導(dǎo)元件的根底和出發(fā)點(diǎn)。人們分別用電力線、磁力線分布的疏密程度和箭頭方向描繪波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)分布特點(diǎn)?！?】其中是波導(dǎo)中填空材料的磁導(dǎo)率，omega;是工作頻率，alpha;是波導(dǎo)寬邊尺寸，beta;是傳播常數(shù)。

以alpha;=72.14mm，b=30.4mm的空心波導(dǎo)為例，矩形波導(dǎo)中的幾個(gè)關(guān)鍵截止波長(zhǎng)：

lambda;cTE10=2alpha;=14.428cm，lambda;cTE20=alpha;=7.214cmlambda;cTE01=2b=6.08cm，HFSS仿真時(shí)信號(hào)源的頻率設(shè)為3GHz，其波長(zhǎng)為10cm，可見波導(dǎo)中只能傳輸TE10模。圖3-5分別給出了傳輸狀態(tài)主模工作時(shí)電力線、磁力線和外表電流大小沿傳播方向的分布圖。

由圖3-4中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)，能清楚的看到波導(dǎo)在傳輸狀態(tài)工作時(shí)電磁場(chǎng)的分布特性，其電場(chǎng)只有沿y軸方向分量，電場(chǎng)在波導(dǎo)寬邊中心處有極值。磁場(chǎng)有沿x軸和z軸方向兩個(gè)分量，Hx在波導(dǎo)寬邊中心處有極值。圖5給出了主模傳輸時(shí)外表電流的大小及方向分布圖。

五教學(xué)案例3-半波對(duì)稱振子天線

假設(shè)半波振子天線振子沿z軸放置，其上的電流分布為I(z)=Imsinbeta;(h-|z|)，其中，beta;為相移常數(shù)，h為單個(gè)振子長(zhǎng)度，那么細(xì)振子天線的輻射場(chǎng)為：

|F(theta;)|是對(duì)稱振子的E面方向函數(shù)。由于|F(theta;)|是不依賴于phi;，所以H面的方向圖為圓。圖6是利用HFSS軟件呈現(xiàn)出天線的三維立體方向圖。圖7分別是半波對(duì)稱振子天線的E面與H面方向圖，可以直觀地看到半波對(duì)稱振子天線在H面是全向輻射；而在E面theta;=90°方向上有最大輻射，在theta;=0°方向上輻射為零?！?】我們還可以利用HFSS軟件形象的呈現(xiàn)出半波振子天線的電磁波向外輻射情況，并可演示展現(xiàn)出動(dòng)畫效果。

六完畢語

本文將電磁仿真軟件ADS與HFSS應(yīng)用到微波技術(shù)與天線課程教學(xué)中，把理論知識(shí)教學(xué)和虛擬仿真技術(shù)充分結(jié)合，將難以理解的概念、性質(zhì)進(jìn)展仿真分析，并將結(jié)果二維圖形顯示或三維動(dòng)態(tài)演示。教學(xué)理論說明，結(jié)合電磁仿真軟件作為該課程教學(xué)理論的手段，可以幫助學(xué)生深化理解教學(xué)內(nèi)容，增加課堂信息量，有效進(jìn)步課堂教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)步學(xué)生興趣。

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