AnSoft HFSS电磁仿真技术在天线实验教学中的应用

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇AnSoft HFSS电磁仿真技术在天线实验教学中的应用范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要: HFSS电磁仿真技术具有高精度、高可靠性、操作简便快捷等优点。将其应用于天线实验教学，可有效解决天线教学实验难以开展的问题，加深学生对天线辐射机理与特性的理解，激发学生的学习兴趣与研究潜力，从而达到良好的教学效果。

关键词: 天线；实验教学；HFSS；电磁仿真技术

作为辐射和接收电磁波的装置，天线是无线通信、雷达、导航、测控、射电天文、医学成像等系统的重要组成部分。掌握天线的基本理论与分析方法，并具备实际的天线设计与应用能力，是对通信工程专业及其相关专业学生的要求。传统的天线课程教学侧重讲授建立在Maxwell方程组和边界条件基础上的经典天线理论，由于涉及复杂的数学知识和艰深的电磁理论，学生普遍存在畏难情绪且学习兴趣不高，教学效果不佳。

天线具有广泛的工程实际应用背景，因而天线课程是一门实践性很强的课程。在天线理论教学的同时，必须辅以与之配套的实验教学环节，增加学生接触天线实际应用的机会，充分调动学生的学习积极性和自主性，从而达到良好的教学效果。因此，天线实验是天线课程教学中的重要环节[1]。但是，目前多数科研院校开设天线实验课程困难较大：一是天线测试场地要求较高，院校难以满足。如天线的野外测试场面积要足够大，且没有树木、房屋等的遮挡，地面导电性能要好；二是天线测量设备（如频谱仪、矢量网络分析仪等）昂贵，院校测量设备有限，难以满足实验教学的需要；三是天线种类繁多，很多天线的制作要求较高, 周期较长等。这些都制约了院校天线实践教学环节的顺利开展。近年来，以ansoft hfss、CST MICROWAVE STUDIO等为代表的电磁仿真软件在天线实验教学中逐步得到了应用。通过采用计算机电磁仿真技术来代替天线实物教学实验，可以有效的节约教学成本，提高教学效率。下面就以笔者从事天线课程的教学改革实践出发，介绍Ansoft HFSS电磁仿真技术在天线实验教学中的应用。

一、Ansoft HFSS简介

Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真器)[2]是美国Ansoft公司开发的一种全波三维电磁仿真软件。该软件采用有限元法，集计算电磁学、数学分析、虚拟实验方法于一体，成为目前国际上解决天线应用分析与工程设计问题的主流，广泛应用于航空航天、电子、通信、雷达、半导体和微波集成电路等领域。

HFSS采用标准的Windows图形用户界面，简洁直观；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算输出用户需要的设计结果。作为一款功能强大的三维电磁设计软件，HFSS可以为天线设计提供全面的解决方案。使用HFSS可以仿真分析和优化设计各类天线，精确计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射的方向图、天线的方向性系数、增益、轴比、半功率波瓣宽度、输入阻抗、电压驻波比、S参数以及电流分布特性等。工程实践表明，HFSS仿真结果与相应真实天线的实测结果非常吻合。由于真实天线的制作、调试与实测往往耗费很大的代价，因而借助HFSS电磁仿真技术，可大大减少天线设计成本，提高设计精度和效率。

二、Ansoft HFSS教学实例——微带天线设计

基于Ansoft HFSS的电磁仿真技术为我们解决了天线实验教学困难的问题。以通信领域广泛应用的微带天线为例，介绍HFSS电磁仿真技术在天线实验教学中的应用。

微带天线[3]的概念首先由美国伊利诺伊大学德尚教授于上世纪五十年代提出，随着微波集成技术和印刷技术的发展，微带天线迎来了蓬勃的发展。微带天线以其体积小、重量轻、成本低、低剖面、易共形、易集成等优点，在移动通信、航空航天等领域应用广泛。由于微带天线在手机等便携式通信设备中均有应用，学生对微带天线的分析和设计表现出浓厚兴趣。但是，经典的微带天线分析方法（如传输线法、谐振腔模型法、全波分析法等[3]）需要具备深厚的数学知识和电磁理论基础，学生普遍感觉学习难度较大，对微带天线辐射特性也缺乏直观了解。借助HFSS电磁仿真技术和微带天线设计手册[4]，我们可以指导学生快速有效地设计微带天线，使他们加深对微带天线分析方法和辐射特性的理解。进一步地，我们可以引导部分有研究兴趣的同学，通过HFSS参数优化功能以及设计新型微带天线结构，进而改进微带天线电气性能，做出有创新性的成果。

典型矩形微带天线仿真模型如图1所示，采用微带线侧馈方式。尺寸参数根据天线工程手册经验公式获得，仿真过程中，还需进行参数调整和优化，以满足设计指标要求。通过HFSS仿真建模过程的学习，学生可以对微带天线的结构组成、馈电方式、参数取值等有更深的理解。

经过参数调整和优化后的微带天线辐射特性仿真结果如下。图2给出了三维增益方向图。图3给出了E/H面天线增益方向图。此外，利用HFSS仿真软件，学生还可以得到反射系数、驻波比、输入阻抗、史密斯圆图等一系列微带天线电气性能的图示结果。

利用HFSS三维可视化技术显示微带天线的立体三维方向图，并通过鼠标拖动实现该方向图的旋转，使得学生能够从三维空间的各个方向观察到该方向图的形状。在此基础上，通过两个相互正交的平面切割该立体方向图，分别获得E面、H面方向图。电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面为E面，磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面为H面。借助HFSS电磁仿真技术，学生可以比较容易地理解E面/H面方向图的基本概念，进而掌握微带天线的空间辐射特性。类似地，通过分析HFSS仿真结果，学生可巩固加深对驻波比、输入阻抗、反射系数、史密斯圆图等重要天线参数的理解。此外，通过熟悉和掌握HFSS整个仿真过程（包括建模、设置边界条件、设置激励方式、设置求解参数、求解分析、优化设计等），学生可加深对微带天线理论分析方法的理解和掌握。