Ansoft HFSS在天馈系统教学实训中的应用

吴香林　余小兰　刘大良

[摘 要] 针对目前高职院校狠抓教学改革，提高学生动手能力的问题，提出项目式教学模式，加强课程与工作之间的相关性。应用Ansoft HFSS 15软件分析、设计、仿真螺旋天线进行实例，代替抽象指标分析和天线实操教学模式，达到原理可视化、模型动态化、资源集约化的目的。此教学模式对高职学生动手解决天馈系统工程实施及维护方面问题的能力得到了提升。

[关 键 词] HFSS；螺旋天线；课程改革；方向图

[中图分类号] G434 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）31-0017-03

天线在各种无线通信系统中都是必不可少的组成部分。用来发射和接收无线电波的装置称为天线。天线的主要功能是完成高频电流与空间无线电波之间的能量转换，又称为能量转换器。通常我们把发射机或接收机与天线连接起来的系统称为馈线系统，由于馈线系统和天线的联系非常密切，因此我们把天线和馈线系统看成一个元件，统称为天线馈线系统，简称天馈系统。天馈系统是用来接收和发射网络信号的装置。天馈系统的应用及其广发，如2G/3G/4G移动通信、电视、Wifi、雷达、导航、气象等领域。天馈系统技术是高职院校移动通信技术专业的一门基础课，本文应用Ansoft HFSS仿真软件结合项目式教学模式进行本门课程的实训内容教学，达到了良好的教学效果，显著提升了高职学生对天馈系统的探究兴趣，为进一步学习移动通信系统打下了坚实的基础。

一、HFSS软件介绍

HFSS是高频结构仿真器（ High Frequency Structure Simulator）

的缩写，是美国Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件。Ansoft HFSS提供了极高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、精确自适应的求解方式、拥有强大的后处理器来分析天线的电性能，能计算任意形状三维无源结构的S参数和驻波比等参量值。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以虚拟天线模型，设置天线输入参数，模拟实际通信场景下的天线输出参量，如驻波比、方向性、辐射场3D增益图、E/H面的方向增益图等，帮助学生高效地设计各种高频天线结构，从而达到快速验证理论，降低实体天线设计成本，缩短天线设计周期的目的。Ansoft HFSS是当今无线通信系统中天线设计最流行的软件之一。使用Ansoft HFSS仿真软件设计、绘制螺旋天线的流程图如图1所示：

二、教学仿真实例——螺旋天线

（一）螺旋天线

螺旋天线（helical antenna）是一种外形具有螺旋形状的天线。螺旋天线的辐射方向分布与螺旋线圆周长有关，当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长比一个波长大很多时，最强辐射方向出现在螺旋轴上。其中平面等角螺旋天线的最大辐射方向是在平面两边的法向方向上，并辐射圆极化波。

平面等角螺旋天线若按角度条件由两个对称金属臂组成时，它可看成是一条变形的传输线。由于这种天线的外形只由角度决定，不包含线性长度，因而天线的特性不受频率变化的影响，故具有极宽的频带。因螺旋天线具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高以及可以嵌装的优点，故目前的应用越来越广泛。通常螺旋天线的馈电方法采用无限巴伦装置作为馈电方式。

式中，r0是对应于φ=0°的矢径；α是决定螺旋线张开快慢的一个参量，称为螺旋率。天线的工作频带由截止半径r0和天线的最外缘的半径r决定。通常取一圈半螺旋来设计天线，即外径r=r0*eα*3π。若以α=0.221代入，可得r=8.03*r0，则工作带宽在8倍频程以上。

平面等角螺旋天线的两臂具有互相补偿的结构，称为自补结构。其天线的阻抗特性为一纯电阻，与频率无关。其阻抗方程如式（3）所示：

根据上述原理方程，使用HFSS软件绘制螺旋天线，创建空气盒，填充材质为真空，并将其设为辐射边界条件；选中本模型中螺旋平面中心处上表面，设置其上表面的馈电方式为集总端口激励，其设置激励源模型如图2所示。本例中螺旋天线完整的仿真模型如图3所示。

（三）仿真结果

实际工程测试中天线的性能主要由天线方向图、驻波比及回波损耗等参数来表征。本实例的仿真参数中的电阻值设为188.5Ohms，求解中心频率为2.4GHz，快速线性扫频范围为1.5GHz到6GHz，最大迭代次数为65，最大误差为0.001。经分析求解S Parameters参数图如图4所示，天线面电流分布如图5所示。调整参数优化后设置offset=5.2mm，谐振长度$L=13.43mm，得到该螺旋天线的最大增益为8.33dB，该螺旋天线3D增益方向图如图6所示，2D增益方向图如图7所示。

三、结束语

本文应用HFSS仿真软件将螺旋天线的远区辐射场清晰地表达出来，由仿真效果图可清楚地判断出3D模型空间各点辐射场的强弱，较直观地获取天线的增益值，可視化地观察了螺旋天线的方向图，将教学中一些天线的重点优化指标进行数字化体现，因此更进一步加深了学生对螺旋天线性能参数的理解。

参考文献：

[1]张照锋，谭立容.电波与天线[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[2]许学梅，杨延嵩.天线技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[3]李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4]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，2015，11（119）：70-72.

[5]楊虹，牟洪江.一种双层宽频微带天线的设计[J].电视技术，2014，38（19）：143-145.