AnsoftHFSS在微波技术与天线教学实践中的应用_陈晓辉

[3]
1
矩形波导中的TE10模
由金属材料制成，截面为矩形的规则金属波导
称为矩形波导，它是微波技术中常用的传输系统之 一。设矩形波导的宽边长度为 a ，窄边长度为 b ，建 立如图 1 所示的坐标系。利用分离变量法求解波导内 的场结构，可知波导内存在多种 TE 波和 TM 波，其中 TE10模具有最大的截止波长，因此成为矩形波导的主 模，该模式场结构简单稳定、频带宽、损耗小，大多 数矩形波导都工作在TE10模式。
-60 -90 -30
图4 电基本振子仿真模型
0 0.80 0.60 0.40 0.20 90
-90 0
30 60
-30 -60
0.80 0.60 0.40 0.20
30 60
90
-120
120 -150 -180 150
-120
120 -150 -180 150
a E面方向图 b H面方向图 图5 电基本振子的方向图
π 0.25λ构成二元阵，激励电流Im2=Im1ej0.5 ，根据(9)式，
进行可视化输出，目前已广泛地用于各类天线与微波 电路设计实践之中。本文利用Ansoft HFSS实现微波技 术与天线教学中一些基础知识的可视化教学，以仿真 实验形式验证相关理论，加深学生对电磁波传播特性 的认识，激发学生学习兴趣，并为后期的生产实习和 毕业设计做准备。
Application of Ansoft HFSS in the Teaching of Microwave Technology and Antennas
Chen Xiaohui, Guo Xinxin, Pei Jinming
Anhui Polytechnic University, Wuhu, 241000, China
FE sin ， FH 1 (5) 利用HFSS建立的电基本振子的仿真模型如图4所
示，信号频率 1 GHz ，振子长度 30 mm ，设置电流激
S21
-50.00
励，幅值 1A 。仿真可以得到天线的 E 面和 H 面方向图 如图5所示。
-100.00
-150.00 1.00
2.00
3.00 4.00 Freq [GHz]
0.00
H j
Il sin e jkr 2 r 60 ð π Il E j sin e jkr r H r H Er E 0
(4)
式中， E θ， E φ， E z为电场分量， H θ， H φ， H r为磁 场分量，k为电磁波的波数，λ为电磁波的波长，电基 本振子的E面和H面方向函数分布为
g
1 ( / 2 a ) 2
Hale Waihona Puke 小于波长λ，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流处 (3) 处等幅同相。任意线天线均可视为由电基本振子组合 而成，因而对电基本振子辐射特性的分析是重要的天 线理论基础。[4] 设电基本振子沿 z 轴放置，建立球面坐标系，其 远区场的场分布为
以上这些公式抽象而复杂，不便于学生的理解。下 面以BJ-32波导为例，通过HFSS仿真研究其场结构和传 播特性。波导宽边a=72.14 mm，窄边b=34.04 mm，长度 l=288.56 mm，两端设为波端口，建立仿真模型。 根 据 ( 1 ) 式 ， 该 波 导 中 T E 10模 单 模 传 输 的 波 长范围是72.14 mm<λ<144.28 mm，频率范围是 2.08GHz<f<4.16GHz。对两端口间各模式的传输系数 的仿真结果如图2所示，可以看出TE10单模传输的频率 范围2.09 GHz<f<4.24 GHz，利用这一结果，学生可以 更好地理解波导中各模式的传导条件以及波导的传输 特性。
71
ISSN1672-1438 CN11-4994/T
这些仿真结果与公式(4)(5)相一致，帮助学生迅速 地建立起天线方向性的这一抽象概念，并且了解电基 本振子辐射的方向性。从图中可以看出，天线的辐射 在θ=90°的H面上具有全向辐射特性，而在φ=90°的E 面上具有定向辐射特性，辐射零点出现在±z轴方向。
在这门课的教学过程中，首先由于电磁场各场矢 量满足的是空间偏微分方程组，求解过程复杂，对学 生的数学基础要求较高；另外电磁场求解的结果是三 维空间中场矢量表达式，难以直接进行观察和研究， 要求学生具有较好的空间想象能力 [2]，因此学生普遍 缺陷学习的兴趣和主动性。 另外一方面，在研发设计领域，电磁仿真软件已 经成为各类微波器件重要的设计工具。比如Ansoft公 司的高频结构仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator) 是一款基于有限元方法的三维电磁仿真软 件，能够全波分析求解任意形状三维无源结构的电磁 特性，同时具有功能强大的数据后处理能力。 在课 堂教学中，我们应用HFSS的电磁场可视化功能，理论 分析与仿真实验相结合，以图形和动画的形式展示空
DOI:10.13492/ki.cmee.2015.21.026
微波技术与天线课程是通信工程专业一门重要 的专业必修课，该课程以电磁场与电磁波理论为基 础，研究电磁波的传输和变换过程，主要内容包 括：微波传输线的概念和方程求解、微波网络基础 与常用元器件、电磁辐射理论、各类天线的工作原 理与特性分析等。
a ð π H10 sin x cos(t z ) 2 π 2 ð a a ð π Hx H10 sin x cos(t z ) 2 π 2 ð a ð H z H10 cos x cos(t z ) a Ex Ez H y 0
3
二元阵与方向图乘积定理
为了加强天线的定向辐射能力，可以将结构相同
0 0
1 1
说明 阵元个数 0 阵元1坐标、电流幅值、相位 1.5708 阵元2坐标、电流幅值、相位
0 -30 -60 0.80 0.60 0.40 0.20
90
的单元天线按照一定方式组成天线阵列，最简单的天 线阵是二元阵。设某二元阵的两个单元天线以间隔 d 沿y轴放置构成，天线2相对于天线1的电流关系为 (6) 表示天线2的电流振幅是天线1的m 倍，而相角超 前ξ角度，那么两个天线的合成场
ISSN1672-1438 CN11-4994/T
2015年11月 总第229期
Ansoft HFSS在微波技术与天线教学实践中的应用
陈晓辉 郭欣欣 裴进明
安徽工程大学电气工程学院 安徽芜湖 241000
摘 要：在微波技术与天线课程的教学过程中，由于数学公式复杂、场结构难以观察，给学生学习带来一定困难。该文利 用电磁结构分析软件Ansoft HFSS对矩形波导中的TE10模、电基本振子的辐射场、天线二元阵的方向图进行仿真求解，以可 视化方式展示场结构与方向图。理论分析与仿真实验相结合，加深学生对课程基础知识的理解。 关键词：微波技术；天线；教学；仿真；HFSS
E ( , ) E1 ( , )(1 m e ) (7) 式中，E1(θ，φ)表示单元天线的辐射场，而
j
30 60
I 2 mI1e
j
-90
-90
90
-120
120 -150 -180 150
-120
120 -150 -180 150
ψ=ξ+kdcosδ表示天线2的辐射场在(θ，φ)方向上相对于 天线1的相位差，δ为电波射线与天线阵轴线(y轴)的夹 角。天线阵的合成方向函数为
[1]
间中的电磁场结构。教学实践表明，这样不仅可以加 深学生对基础知识的理解，而且还能让学生了解利用 HFSS进行电磁结构设计和分析的基本方法，提高学生 的学习效率和积极性。本文以矩形波导中TE10模的特 性分析、电基本振子的辐射场结构、天线二元阵的方 向图乘积定理为例，介绍HFSS在微波技术与天线课程 中的应用。
Abstract: In the teaching process of microwave technology and antennas, some difficulties for students may lie in the complex mathematical formulas and invisible electromagnetic fields. To address the problem, the TE10 mode of a rectangular waveguide, the radiation field of an electric short dipole and the field pattern of a two element array were analyzed and graphically represented by Ansoft HFSS in this paper. The combination of theory and simulation could add students’ understanding to the basics of the course. Key words: microwave technology; antenna; teaching; simulation; HFSS
5.00
6.00
图2 矩形波导中各模式的传输系数 注：实线为TE10模；短划线为TE20模；长划线为TE01模
图 3 为波导中电场和磁场的分布图，可以看出电 场只有 y 轴上的分量，且波导中心达到最大值，两侧 达到最小值；磁场有z轴和x轴上两个分量，z轴分量在 两侧达到正负最大值， x 轴分量在中心达到最大值， 场结构分布规律与式(2)相一致；而且还可以从图中测 量两个波峰间的距离为174.04 mm，与式(3)的波导波 长的计算结果一致。这些仿真结果将复杂的公式形象 化，直观地向学生展示了波导中的场结构，有利于学 生对波导内电磁波传播特性的理解和掌握。
参考文献