程春霞 孙文方 苏博

摘要：基于HFSS（High Frequency Structure Simulator）仿真软件设计了微带天线的仿真设计实验，通过合理的设计实验实施过程，有效地避免了实验实施过程中相互抄袭的问题，培养了学生独立研究的能力，提升了实验教学的效果。通过仿真设计型实验不仅加深了学生对相关基础知识的认识，而且使学生熟悉了常用射频、天线工程设计软件，增加了学生工作和深造的竞争力。

关键词：HFSS；设计型；实验研究；天线

中图分类号：G482 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）23-0276-03

无线通信、射频识别已经渗透到民用、国防的各个方面，而天线是这些系统中必不可少的设备，因此也就需要了解天线结构和原理并能将其应用于具体的工程。天线理论的基础是电磁场理论，其数值求解过程非常复杂，同时它又与工程联系紧密，必须配合必要的实验教学才能培养出兼具理论知识和工程实践能力的人才。

由于传统的天线实验所需的设备昂贵，而且对实验环境的要求较高，因此大多数高校的天线实验是测量天线特性的验证型实验[1，2]，而在研发设计领域，电磁仿真软件HFSS、CST、Microwave office等已成为重要的设计工具，为了满足工程设计的需求，很多高校开设了天线的仿真实验[3-9]。

HFSS是使用较早而且用户较多的一款全波三维电磁仿真软件，该软件的仿真模型可以直接导出加工，可以计算天线的回波损耗、驻波比、远场辐射方向图、输入阻抗等参数[10]。本文利用HFSS软件进行天线的实验教学，通过合理的设计实验来避免仿真实验中学生相互抄袭，加强对学生实验过程的考核，使每一位学生通过实验都能加深对基础知识的理解、熟悉常用工程设计软件，提高实验教学的效果。

一、实验内容的设计

设计型实验由教师提出微带天线的设计指标，学生根据指标完成从理论设计到仿真调试的过程。

为了便于后面扩展到实物加工调试，微带天线的介质板选用介电常数2.2，介质厚度1.2mm，尺寸150mm×150mm；为了防止学生之间互相抄袭，每位学生所设计天线的中心频率（单位MHz）与自己的学号和所在的班级相关，本届学生共有三个小班，分别为11、21和29班，11班的中心频率为f0-11=2000-10×n11（n11为11班学生学号的最后两位），21班的中心频率为f0-21=2000+10×n21（n21为21班学生学号的最后两位），29班的中心频率为f0-29=2000+10×n21max+10×n29（n21max为21班学生的总人数，n29为29班学生学号的最后两位）；相对带宽（S11<-10dB）大于0.6%。

实验步骤为：（1）学生根据实验要求完成微带天线的理论设计，并提交理论设计过程和结果，理论设计作为最终实验成绩的一部分。（2）根据理论设计在仿真软件中进行建模并调试，调试过程记录各个参数的变化对天线性能的影响，并从理论上进行分析。（3）按照实验报告要求撰写实验报告。

二、实验的实施

下面以中心频率2000MHz的天线为例来介绍设计型实验的实施过程。

1.理论计算。理论计算是微带天线设计实验的第一步，其辐射贴片（如图1所示）的宽边、长边、输入阻抗的计算公式如下[11，12]。

W=L=-2ΔL （1）

Z=，W≤λ，W≥λ （2）

其中，W和L分别为辐射贴片的宽度和长度，c为光速，f0为天线的中心频率，εe和ΔL可由下面两个式子计算。

εe=+1+12 （3）

ΔL=0.412h （4）

通信系统的输入阻抗一般为50Ω，但是微带天线辐射贴片的输入阻抗Zin≠50Ω，因此需要把辐射贴片的输入阻抗变换到50Ω，这就需要用到理论课中讲到的阻抗匹配的相关内容，常用的阻抗匹配有单枝节匹配、双枝节匹配、λ/4阻抗变换器等方法，单枝节匹配和λ/4阻抗变换器是两种比较简单的阻抗匹配方法，可以任选一个来把微带天线的输入阻抗变换到50Ω。我们这里用λ/4阻抗变换器来实现，如图2所示。w2为50Ω微带线的线宽，w1为阻抗变换器的线宽，l1为阻抗变换器的线长，可以借助一些小软件（比如TXLINE）来计算这四个参数。

根据实验指标介电常数εr=2.2、介质厚度h=1.2mm、中心频率f0=2000MHz，由（1）—（4）式计算出W=59.3mm、L=50.0mm、Zin=288Ω，阻抗变换器的阻抗Z1==120Ω，利用TXLINE计算得到w1=0.7mm、l1=28.3mm、w2=3.7mm。

由于实验内容中每一位学生所要实现的天线中心频率都不相同，因此理论计算的辐射贴片和匹配器的尺寸各不相同，所以每一位学生都必须掌握微带天线的理论，熟悉并会运用理论计算的基本公式，这就有效地调动了学生學习的自主性和能动性。

2.仿真调试。仿真调试是微带天线设计实验的第二步，根据前面的理论计算结果在HFSS中建模，如图3所示。

仿真得到此时微带天线馈电端口的反射系数S11，如图4所示。从图4中可以看出此时天线的谐振频率为1960MHz，低于要求的谐振频率，根据微带天线的辐射原理我们可以知道，辐射贴片的L与其谐振频率的关系密切，L越小谐振频率越高，因此可以改变L来验证理论分析；而阻抗变换器所起的作用是把辐射贴片的输入阻抗变换到50Ω，完全匹配时端口反射系数应该是-∞dB，所以可以改变w1、l1来使谐振点S11的值最小。

微带天线的端口反射系数S11随L、w1、l1变化的规律如图5所示。从图5可以看出其变化规律与前面的理论分析一致，通过仿真调试过程加深了学生对相关理论知识的理解，使学生对参数变化对S11的影响印象深刻，同时也为天线实物的调试打下了基础，积累了经验。

由图5确定仿真调试后微带天线的最终尺寸为：L=49mm、w1=0.8mm、l1=26mm，其他尺寸与理论计算值一致。此时，阻抗带宽0.9%，满足实验要求的相对带宽（S11<-10dB）大于0.6%。

该天线端口的输入阻抗、辐射方向如图6—8所示。由图6可知该天线的端口输入阻抗近似为50Ω。图7验证了微带天线的辐射为上半空间，该天线的最大增益为8.2dB。由图8得到该天线的E面和H面半功率波瓣宽度均为72°。

上述仿真调试过程及最终设计天线的指标必须在学生的实验报告中进行详细的描述，在评定实验报告时有严格的评分标准。

三、结语

将电磁仿真软件HFSS引入到天线的实验教学中，通过合理的设计实验内容，使每一位学生都必须理解微带天线的设计原理，都能独立的设计、仿真调试微带天线，有效的避免了仿真实验实施过程中相互抄袭的问题，提高了学生学习的兴趣。通过直观的实验结果和调试过程加深了学生对相关基础知识的理解，使学生熟悉了常用射频、天线工程设计软件的使用和工程设计时的调试过程。通过实验报告的撰写使学生熟悉研究论文的写作要求，对学生今后工作、学习中总结研究成果，撰写相关的总结报告、科技论文都有一定的帮助。

参考文献：

[1]郭辉萍，曹洪龙，刘学观.微波技术与天线（第三版）学习指导与实验教程[M].西安电子科技大学出版社，2013.

[2]张兰，田茂，李晓荣，等.微波技术与天线实验室建设的探讨[J].武汉大学学报：理学版，2012，（S2）：197-200.

[3]陈晓辉，郭欣欣，裴进明.Ansoft HFSS在微波技术与天线教学实践中的应用[J].中国现代教育装备，2015，（299）：70-72.

[4]房少军，傅世强，李婵娟.创新设计性天线实验教学改革与探讨[J].实验科学与技术，2015，13（2）：74-76.

[5]张照锋，谭立容，袁迎春.基于HFSS仿真的“电波与天线”课程改革[J].电气电子教学学报，2017，39（2）：60-62.

[6]曲乐乐，杨天虹，张丽丽，等.基于HFSS仿真软件的天线实验课程研究[J].实验技术与管理，2016，33（7）：129-132.

[7]傅世强，李婵娟，房少军.射频微波与天线类课程综合创新性实验系统设计[J].实验技术与管理，2014，31（11）：204-207.

[8]汪涛，毛剑波，刘士兴，等.天线仿真实验的设计与教学实践[J].实验技术与管理，2012，29（12）：89-93.

[9]李嬋娟，傅世强，房少军.天线与电磁场课程综合设计性实验的研究[J].实验科学与技术，2016，14（2）：1-3.

[10]李明洋，刘敏.HFSS天线设计[M].第2版.北京：电子工业出版社，2014.

[11]雷振亚.微波工程导论[M].北京：科学出版社，2010.

[12]范寿康，李进，胡容，等.微波技术、微波电路及天线[M].北京：机械工业出版社，2008.