HFSS仿真软件在天线教学实践应用_图文

1、Ansoft HFSS仿真软件在天线教学实践中的应用侯维娜,邵建兴(重庆邮电大学光电工程学院,重庆400065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 10.0,将实物天线教学实验用计算机仿真计算代替,这一方法能解决天线教学实验难的问题。 关键词:天线;HFSS 10.O:仿真;教学实践Application of Ansoft HFSS in teaching experiment of antennaHOU Weina,SHAO Jianxing(College of Electronic Enslneering,C

2、hongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065.P.R.China Abstract:As to many difficulties in the academy processes of actual antenna teaching experiment,HFSS 10.0is applied assubstitute for actual teaching experiment of antenna,which is a kind of electromagnetic software based

3、on the finite element method(FEM.This method Can be used to solve the difficulties in teaching experiment of antenna successfully.Key words:antenna;HFSS 10.0;simulation;teaching experiment0引 言掌握天线的基本理论知识,并具备这些知识的 应用能力,是通信工程专业及其相关专业学生所必 须需拥有的。天线理论是建立于麦克斯韦方程及 其边界条件之上的,天线问题的求解通常要涉及高 深的数学理论知识,因此显得比较抽象。此

4、外天线 课程与实际工程应用联系十分紧密,它是一门实践 性很强的课程,在天线教学过程中,必须采用理论 与实践相结合的手段,才能取得良好的教学效果, 然而目前很多科研院校的天线课程教学还是采取 课堂讲授的传统授课方式,缺乏与之配套的实验教 学环节,学生缺少实践机会,造成大部分学生对天 线理论知识理解困难,并且缺乏实践应用能力¨。1。 天线实验是天线教学过程中一个非常重要的 环节,但很多院校的天线实验开设不足,原因有三:第一,天线测试场地要求较高,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;第二,天线的测试设备(比如天线微 波暗室、矢量网络分析仪、频谱分

5、析仪等非常昂 贵;第三,天线的种类繁多,很多天线的制作要求较 高,周期较长等。这些困难大大制约了科研院所的 天线实践教学环节的顺利开展。收稿日期:2009-02-25针对以上天线教学实践过程中所存在的问题,可 以利用电磁仿真软件,如Ansofl HFSS,IE3D,Agilent ADS等,将天线实物教学实验用计算机仿真来替代, 从而有效节省教学成本,提高教学质量。本文主要介 绍Ansoft HFSS 10.0在天线仿真中的应用。1Ansoft HFSS简介Ansofi HFSS是世界上第一个商业化的三维结 构电磁场仿真软件,可分析仿真任意三维无源结构 的高频电磁场,可直接得到特征阻抗、传播常

6、数、S 参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。经过 二十多年的发展,Ansofi HFSS以其无以伦比的仿真 精度和可靠性,快捷的仿真速度,方便易用的操作 界面,稳定成熟的自适应网格剖分技术,成为高频 结构设计的首选工具和行业标准,已经广泛地应用 于航空、航天、电子、半导体及通信等诸多领域,帮 助工程师们高效地设计各种高频结构,如:射频和微波部件、天线、天线阵和天线罩、电真空器件、研 究目标特性和系缈部件的电磁兼容/电磁干扰特 性等,从而降低了设计成本,减少了设计周期,增强 了竞争力。HFSS采用的理论基础是基于有限元方法的一 种电磁场仿真分析软件。由于分析和测量真实天 线的各种电参数往往要

7、花费很大的代价,因此可以一87 万 方数据 通过在Ansofi HFSS中建立所需研究的天线仿真模 型,并设置好相应的频率、激励源、辐射边界、精度 等参数,通过Ansofi HFSS仿真就能够得到天线的方 向图、增益、效率、阻抗带宽等仿真结果。工程实践 表明,采用Ansofi HFSS所得到的仿真结果与真实天 线的实测结果十分吻合,所以在天线的前期设计 中,可以通过Ansofi HFSS仿真分析天线的性能,从 而有助于高效设计性能良好的天线。此外,可以将Ansofi HFSS与Matlab相结合,利 用Matlab强大的数值计算和图像可视化的能力,将AnsoflHFSS中多个仿真图像在Matl

8、ab中以一个图形显示出来,从而可以简单分析天线的性能。学生 可以根据所学的理论知识,通过利用Ansofi HFSS构 建其所需仿真的天线模型并进行仿真计算,将仿真 结果与书中的理论相结合,就实现了天线理论教学 与实践教学环节的组合,便于学生对天线的整体工 作特性有更深的理解,从而有助于教师有效提高教 学的质量与效率。 2AnsoftHFSS教学实例2.1圆柱对称天线的辐射在电磁场辐射理论中,圆柱细偶极天线的辐射场问题是一个很典型的分析实例。在一些教科书 中,对有限长圆柱对称天线的分析主要采用矩量法 对海伦积分方程进行数值求解一1,其中要涉及大量 的数值计算及编程,且其空间的电磁场辐射图形的 描

9、述也是学生较难掌握的内容,但是借助于Ansofl HFSS,将大大促进学生对该部分知识的理解。天线的仿真模型图如图l所示。天线的具体尺寸为:天线全长500am,圆柱半径3mm。 图1圆柱对称天线仿真模型图用电磁仿真软件HFSS 10.0圆柱对称天线进行 仿真,其回波损耗图及辐射方向图分别如图2及图 3所示。一88DIGITAL COMMUNICATION/2009.8图2圆柱对称天线驻波比图(a圆柱对称天线辐射方向图妒=900¨姗R“ath,“iI_:霄黑祟12:0639II、h,LlEnI蘸 猷黼一.蠖 裂-I兮、 卅5000 50.002舡 ll,Ih(b圆柱对称天线辐射方向图o

10、=900图3圆柱对称天线辐射方向图从图2可知,圆柱对称天线的阻抗带宽较小,可 以通过采用各种加载技术提高天线的阻抗带宽。 从图3可知,天线的E面的方向图呈倒8字形,增益 为4dB,其面的方向图为全向辐射,增益为0dB。2.2微带天线的辐射微带天线的概念首先是由Desehamps于1953年提出的,最早的微带天线是由Howell。4。和MunsonL5。在20世纪70年代初研制成功的。微带天线由于具有质量轻、体积小、成本低、容易集成及易于 与表面共性等诸多优点,在移动通信、航空航天、电 子对抗及雷达等领域应用广泛,微带天线已经成为 广大天线理论工作者重点研究的课题之一。微带 天线的分析方法主要有

11、传输线方法、空腔模型法、 矩量法、有限元方法及时域有限差分方法等6I,但是这些方法的理论分析都需要具有较为深厚的数 学知识和电磁场理论基础。这就导致了学牛在学 习这部分知识过程中难于接受理解的后果,然而借 助于Ansofl HFSS和相应的微带天线设计手册,可以较为全面地理解微带天线的整体性能。万方数据 典型的微带天线的仿真模型图如图4所示,采 用同轴线馈电。微带天线的尺寸为:辐射板尺寸:20mmx30mm;介质板材料:Rogers RT/duroid 5880,相对介 电常数占,=2.2,损耗角正切tam5=0.0009;介质板尺寸:40nllTl×50mill X3mm;接地板尺

12、寸:40mm×50mm;馈电点位置:(7.5mm,11.25ram 图4微带天线仿真模型图用电磁仿真软件HFSS 10.0圆柱对微带天线进 行仿真,其回波损耗图及辐射方向图分别如图5及 图6所示。图5微带天线的回波损耗图图6微带天线的辐射方向图从图5可以看出,普通微带天线的阻抗带宽通 常很窄,当回波损耗小于一10.0dB时,天线的阻抗 带宽仅有20MHz。从图6可知,由于接地板的影 响,微带天线的辐射为上半空间的辐射,其增益约 为9.139dB。因为实际应用中微带天线的接地板 不可能为无限大,所以天线存在一定的后向辐射。此外,通过Ansofi HFSS还可以得到天线的驻波 比图形、天

13、线的效率及Smith图形等,从而为学生全 面理解天线的性能起到了很大的帮助作用。 3结语利用Ansofl HFSS电磁仿真软件可以真实地反映实际天线的工作状况,对于比较复杂的天线,采 用该软件对天线进行仿真分析计算具有速度快、周 期短、复杂度降低、简单明了等优点,从而可以加快 天线的整体设计周期。我们将该软件应用于实际 教学环节中,成功地解决了天线课程实验难的问题,通过让学生自己进行仿真分析验证,大大提高 了学生的理解能力,锻炼了其实际操作能力,激发 了学生的学习兴趣,开拓了学生的视野,为他们适 应今后的工作岗位打下了坚实的基础。 参考文献:1李丽霞,王军延.基于Matlab的电磁场图示化教学

14、 J.孝感学院学报,2006,26(3:120.121.2】赵林,柳超,朱婷婷.Super NEC仿真计算技术在天 线教学实践中的应用J.实验技术与管理,2007,24(197-99. 3谢处方.加载与媒质中的天线M.成都:电子科技 大学出版社.1990:4-44.4HOWELL J Q.Microstrip antennasJ.IEEEAPSInt.Syrup.Digest,1972,22:177-180.5MUNSON R E.Conformalmicrostripantennas and mi.crostrip phasedarraysJ.IEEETrans.On Antennasand

15、 Propagation.1974,22:7478.6贺秀莲.微带天线的数学建模理论与数值分析方法研 究D.西安:西安电子科技大学,2005:1.10.作者简介:侯维娜(1967一,女.河北保定人,讲师,硕士,主要研 究方向为电磁辐射与散射、天线理论与技术,E-mail:.ell。一89万方数据 微波 EDA 网视频培训教程推荐微波 EDA 网 (成立于 2004年底,并于翌年与易迪拓培训合并,专注于微波、 射频和硬件工程师的培养, 现已发展成为国内最大的微波射频和无线通信人才培养基地。 先后与人民邮电出版社、 电子工业出版社合作出版了多本专业图书, 成功推出了多套

16、微波射频 经典培训课程和 ADS 、 HFSS 等软件的使用培训课程,广受工程技术学员的好评,帮助数万名 工程师提升了专业技术能力。客户遍布中兴通讯、研通高频、埃威航电、国人通信等多家国内 知名公司,以及台湾工业技术研究院、永业科技、全一电子等多家台湾地区企业。 HFSS 中文视频培训课程套装国内最全面和专业的 HFSS 培训教程套装,包含 5 套视频教程 和 2本教材,李明洋老师讲解;结合最新工程案例,视频操作 演示,让 HFSS 学习不再难。购买套装更可超值赠送 3个月免 费学习答疑,让您花最少的成本,以最快的速度自学掌握 HFSS 【点击浏览详情】两周学会 HFSS 中文视频教程李明洋主讲,视频同步操作演示,直观易学。课程从零讲起,通过两周的课程学习,可以 帮助您快速入门、自学掌握 HFSS ,真正做到让 HFSS 学习不再难【点击浏览详情】HFSS 微波器件仿真分析实例 中文视频教程HFSS 进阶培训课程, 中文视频, 通过十个 HFSS 仿真设计工程应用实例, 带您更深入学 习 HFSS 的实际应用,掌握 HFSS 高级设置和应用技巧【点击浏览详情】HH 微波射频测量仪器培训课程套装合集搞射频微波,不会仪器操作怎么行!矢量网络分析仪、频谱仪、 示波器、信号源是微波射频工程师最常用的测量仪器。该培训