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1、HFSS软件在微带天线教学中应用摘要：针对目前大中专院校在天线课程教学实践过程中实验开设不足的种种困难，利用基于有限元方法的电磁仿真软件HFSS,将实物天线教学实验用计算机仿真计算代替，实践证明这一方法能解决天线教学实验难的问题。关键词：微带天线；HFSS；仿真；教学实践中国分类号：TG82文献标识码：A文章编号10053824(2013)010092030引言天线理论分析［14］的本质就是在特定边界条件下求麦克斯韦方程组的解。但电磁场理论比较抽象、推导数学公式较为繁琐以及空间概念想象难等诸多特点，因此利用HFSS对天线进行辅助分析
2、、仿真和设计等就显得分外重要。针对天线理论课程的学习，本文利用HFSS对矩形微带天线进行仿真与优化。实践证明：用该软件对矩形微带天线进行仿真,不仅能够帮助学生理解和掌握微带天线理论，提高学生的学习积极性与学习效率，而且有助于提高学生利用HFSS来解决分析实际问题的技巧与方法。1微带天线的设计指标本文拟设计的微带天线具体设计指标如下：1)中心工作频率：2.45Hz；2）回波损耗：S11WT0.0dB；式（4）中，h为介质基板厚度，fO为中心频率。2.3确定接地板尺寸理论上接地板应为无限大，可在实际工程设计中，天线重量、安装尺寸及其成本
3、方面的因素都需要考虑，接地板尺寸应尽可能的小。由于微带天线辐射口径场集中于辐射边缘附近很小区域内，接地板和介质向外延伸长对天线辐射场分布并没有明显影响［6］。因此，当接地板宽度满足WO^W+O.2Xg时，在实际工程应用中就可将接地板近似视为无限大。2.4模型尺寸本文设计的矩形微带贴片天线采用同轴线馈电，同轴线内径取2.00mm,加载金属电容片耦合馈电，电容片直径取8.00mm,天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz。根据以上表达式计算结果，选用的介质材料为聚四氟乙烯，介电常数为2.55,厚度为2.00mm。空气层的厚度为&
4、00mm,有效介电常数为1.11,矩形贴片的长宽分别为45.00mm和60.00mm,参考地的长宽都取140.00mmo3AnsoftHFSS简介AnsoftHFSS［7］是三维结构电磁场仿真软件，可仿真分析任意三维无源结构的高频电磁场，得到传播常数、特征阻抗、电磁场、辐射场、S参数天线⑻及方向图等结果oAnsoftHFSS能够设计各种高频结构，如电真空器件、射频和微波部件、天线阵、天线、天线罩等[9],减少设计周期，增强竞争力。HFSS理论基础基于有限元方法。由于测量和分析真实天线的各种电参数都需要耗费大量人力、物力，而Ansof
5、tHFSS可建立所需研究的天线仿真几何模型，并设置好相应的频率、边界条件、激励源、求解精度等参数，然后仿真求解就能得到天线的方向图、效率、增益、阻抗、带宽等仿真结果。此外，如将AnsoftHFSS与Matlab相结合，利用Matlab图像可视化能力和强大的数值计算能力，并将AnsoftHFSS中多个仿真图像在Matlab中以一个图形显示出来，就可以简单分析天线的性能。学生可以根据所学的理论知识，利用AnsoftHFSS构建其所需天线模型并进行仿真计算，将仿真结果与书中的理论相比较，就实现了天线理论教学与实践教学环节的结合，便于学生对
6、天线的整体工作特性有更深的理解，从而有助于教师提高教学的质量和效率。4AnsoftHFSS微带天线仿真4.1HFSS建模根据2.4节中所述的模型尺寸在HFSS中建立的几何模型，如图1所示。图3VSWR参数仿真图由图2和图3可知，微带天线的谐振频率为2.15GHz,与期望的中心频率2.45GHz相比，存在比较大的偏差，S11参数的最小值为-13.3dB,显然不够理想，所以需要对该微带天线进行优化设计。4.2微带天线优化设计利用HFSS对上述天线进行扫描分析，得到天线长度L变化时的S参数仿真图，如图4所示。由图6可以看到，当VSWRW2
7、时，天线的带宽范围是2.08〜2.79GHz,绝对带宽有710MHz,相对带宽达到了29%,相比普通贴片天线的带宽范围提高了不少。5结语利用AnsoftHFSS电磁仿真软件可以对天线进行仿真，它具有速度快、复杂度低、周期短、简单明了等优点，可以加快天线的整体设计周期。将该软件应用于实际教学环节中，不仅成功解决天线课程实验难的问题，并且学生通过自己进行仿真分析验证，锻炼了其实际操作能力，大大增强学生对天线理解，激发学生学习兴趣，开拓学生视野，为他们适应今后工作打下坚实基础。参考文献：[1]毛钧杰•微波技术与天线[M].北京：科学出版社
8、，2006：348348.[2]宋铮，张建华，黄冶•天线与电波传播[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.[3]POZARDM.Microstripantennas[J].Proc.IEEE,1992,80：7991.[1]W
