通过实例提高“HFSS软件的使用”实验教学效果
摘 要 为了提高无线技术专业学生对HFSS软件的理解和操作使用，通过精选实例并进行实验教学使学生进一步理解微波技术基础、天线原理与设计以及微波网络课程的相关知识的同时，熟练掌握HFSS软件，涉及的实例有滤波器仿真、功率分配器仿真、双模喇叭仿真、对数周期天线仿真、微带天线仿真、超宽带天线仿真、基站天线仿真和阵列天线仿真。
关键词 HFSS软件 仿真 实验课程
中图分类号：O441.4 文献标识码：A
对于无线技术专业学生，掌握HFSS软件的基本使用与操作是十分必要，“HFSS软件的使用”作为一门必修课程，通过理论教学和实验教学使学生不但会操作HFSS软件，同时更需要专业知识加以理解，因此，在实验安排上，不但掌握HFSS软件基本操作，而且最好能体现微波技术基础、天线原理、微波网络等课程的知识点，同时器件便于加工和测试，这样让学生在老师的指导下完成从设计到仿真，从制作到测试的全过程，从而使学生对所学知识融会贯通、运用自如。实验内容为滤波器仿真、功率分配器仿真、多模喇叭仿真、对数周期天线仿真、微带天线仿真、超宽带天线设计与仿真、基站天线仿真、阵列天线仿真等。
1 滤波器仿真
滤波器、功率分配器涉及到微波网络内容，微带结构便于加工，采用微带结构切比雪夫式低通滤波器如图1所示，由高低阻抗短线相间接的方式。技术指标为：截止频率fs=3.0GHz，带内等波纹衰减Lp=0.1dB，阻带边频fs=5.4GHz处的衰减为Ls≥25dB，输入输出微带线的特性阻抗为Z0=50 。滤波器的仿真涉及到材料设置、导体边界和辐射边界的设置，采用集总参数端口。
图1 微带低通滤波器
2功率分配器仿真
功率分配器也称为功分器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。三端口功率分配器如图2，设计公式为：P2/P3=1/k2，Z02=Z0，Z03=Z0，=Z0（，Z04=Z0，Z05=Z0/当k=1.414时，功率分配比为P2：P3=1：2，其它参数依公式可以计算得到，通过功率分配器的仿真，学会阻抗边界条件的设置，理解S参数的各项含义，如S11、S12、S23等，其它设置与滤波器的设置类似。
图2 三端口功率分配器
3多模喇叭仿真
双模喇叭结构如图3，其中2a0=0.71 ，2a=1.31 ，l=1.37 ， f=30€埃赥E11模上增加TM11模后，若二模在口径中心同相，同时二模振幅比∣TM11/TE11∣选择得当，从而使二模叠加在极化方向的边缘处近于零，使E面方向图与H面方向图近于重合。双模圆锥喇叭的仿真涉及到导体材料的设置、辐射边界及辐射远场的设置，学会波端口的设置，学会观察波导内场分布，TE11模场分布，TE11模+TM11模场分布，理解E面和H面方向图。
图3 双模圆锥喇叭
4对数周期天线仿真
对数周期偶极子天线是一种结构简单、性能优良的宽频带定向天线，在短波、超短波、微波等波段的雷达、通信、测向、侦察和电子对抗等领域均有广泛的应用。印刷对数周期天线是随着介质基片技术的成熟而出现的，与传统的天线相比，其物理尺寸更小，对数周期天线结构如图4，天线选用板材为FR4，厚度1.58mm，尺寸为45.3mm 7mm，两层辐射贴片分别位于介质板的两面，由矩形贴片组合而成的，激励端口在天线的低频端，采用特性阻抗为50 电缆线对天线进行馈电。通过对数周期天线的仿真，理解对数周期天线的原理，学会判断E面和H面方向图。
图4 对数周期天线
5微带天线仿真
微带天线仿真模型如图5所示，为矩形贴片，其切角是为了实现右旋圆极化，通过该仿真学会同轴馈电的设置，学会参数扫描分析，学会设置优化变量等。
图5 微带天线
6超宽带天线仿真
具有阻带的超宽带天线结构图如图6所示，随着超宽带通信系统的发展，其数据传输率高、损耗低的优点，越来越受到人们的关注，超宽带系统的主要任务就是在无线通信标准存在的前提下实现高数据速率通讯。由于超宽带系统必定会与现存的窄带无线通信系统发生干扰或冲突，用于防止潜在干扰的具有带阻特性的超宽带天线便成为了研究需要。本例采用在辐射贴片上开SRR谐振槽的方法，实现了非常陡峭的阻带。
图6 具有阻带UWB天线模型
通过对超宽带天线的仿真，学会对共面波导的设置，熟练掌握优化设计。
7基站天线仿真
基站天线要求能覆盖尽量宽的频段，兼容2G/3G/4G等不同制式，显然对充分利用日益稀缺的站址资源以及减少电信设备的重复性建设具有重要意义。移动通信基站天线常用的振子单元形式有普通振子天线、印刷振子天线及微带天线，不同天线形式具有不同的优缺点。本例所设计的宽频段双极化基站天线单元，采用普通振子天线形式，结构简单、紧凑，加工方便，如图7所示，要求覆盖1.71-2.69GHz频段，兼容GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500等多种通信标准。
图7 双极化基站天线
通过对基站天线的仿真，理解交叉极化、隔离度、前后比和巴伦等。
8阵列天线仿真
在微带天线阵列的设计中，微带馈电网络可以与天线单元共用同一层介质，从而降低了微带阵列的尺寸。以X波段的串联馈电的微带天线阵列为例，仿真的最大副瓣电平小于20dB，在300MHz的带宽范围内驻波小于1.5，增益大于18dB。设计阵列要求副瓣小于-20dB，设计时幅度分布可采用-25dB的泰勒分布，即串联馈电的每个节点分支的幅度，自左至右符合泰勒分布关系。根据要求，设计的一个一分十的串联馈电功分器，并用HFSS进行优化。
图8 微带阵列天线
通过阵列天线的仿真，进一步掌握功率分配器，理解阵列天线中单元幅度与相位对方向图的影响，掌握泰勒分布。
9 总结
为提高“HFSS软件的使用”实验教学效果，通过精选8个实例，使学生在学习HFSS软件时，掌握各种模型的建立，理解各种端口的设置，掌握辐射边界、导体边界、材料等的设置，同时掌握对数周期天线、双模圆锥喇叭、具有阻带超宽带天线、微带天线、基站天线及微带阵列天线等的仿真。
本文得到广东省高等教育教学改革项目资助，项目名称：无线技术应用型人才培养的研究与实践，项目编号2012377。
参考文献
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