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AnsoftHFSS在微波技术与天线教学实践中的应用_陈晓辉

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AnsoftHFSS在天线布局中的应用研究

AnsoftHFSS在天线布局中的应用研究

1 U + I Z0 ， 2 Z0 U 1 归一化反射波 b = − I Z0 2 Z0
归一化入射波 a = 其 中 ，U 和 I 分 别 为 端 口 电 压 和 电 流 ，Z O 为 端 口 的 特 性 阻 抗 。 定义[S]参数：
b1 S11 b S 2 = 21 bn S n1 S12 S1n a1 S 22 S 2 n a2 S n1 S nn an
Sweep
X 图2 在HFSS工作区间的模型
Y 图3 在天线底部设置激励源
Function: Insert Function abs
Done
·2007第07期·
ELECTRONICS QUALITY
Variables Output Variables S Parameter Y Parameter Z Paarameter VSWR Gamma Port Zo Group Delay Active S Parameter Active Y Parameter S(LumpPott1,LumpPort1) S(LumpPott1,LumpPort2) S(LumpPott1,LumpPort3) S(LumpPott2,LumpPort1) S(LumpPott2,LumpPort2) S(LumpPott2,LumpPort3) S(LumpPott3,LumpPort1) S(LumpPott3,LumpPort2) S(LumpPott3,LumpPort3) asinh atan atan2 atanh avg cang_deg cang_rad conjg cos cosh dB

Ansoft HFSS在天线设计中的应用

Ansoft HFSS在天线设计中的应用

4
要正视现实。如果有人想在办公室里利用 HFSS 计算电尺寸几百个波长的天线，那么劝他还 是要趁早打消这个念头，因为在当前计算机发展水平下，这是不可能完成之任务，需要借助 于采用其他算法的电磁仿真软件或者寻求某些计算中心的帮助。 如果计算机硬件能够升级从 而使得 HFSS 拥有解决当前问题能力，那么我们很乐意采用这种方式来支持 HFSS，这样虽 然会牺牲一点仿真时间，但带来的好处是很多的。 第二是宽频带天线。HFSS 采用的理论基础是有限元方法(FEM)，这是一种微分方程法， 其解是频域的。 所以， HFSS 如果想获得频域的解， 它必须通过频域转换到时域。 由于， HFSS 是用的是微分方法，所以它对复杂结构的计算具有一定的优势。 是的，HFSS 对我们的帮助是如此之大，以至于我们不敢想像失去它我们将怎么开展工 作。即便如此，也不要忘记，在天线设计过程中，起主导作用的永远是人，而不是软件。 HFSS 只是一个分析软件，它的作用仅限于将工程师的想法进行验证。它虽然帮我们做了很 多数值计算方面的工作， 简化了我们的设计过程， 但一个天线性能的优劣仅仅取决于工程师 对这个天线的理解程度， 而不是其他。 同样一把剑握在不同人的手里就会发挥出不一样的威 力、做出不一样的事情，HFSS 也一样。如果想充分发挥它的作用，需要设计人员具有清晰 的物理概念、大量的设计经验、丰富的想像力还有足够的耐心。 还有一点需要明确的是， 软件永远不可能复制现实。 你在软件里看到的模型只是理想化 的现实，做为一名工程设计人员，你必须清楚理想和现实的差距在哪里，并想办法补偿这些 差距。我们的工作不仅限于一个好的仿真结果，最终产品的测试结果才是我们成绩的体现， 所以， 我们还必须考虑加工材料、 加工工差以及工作环境这些现实问题， 从某种意义上来说， 这些问题更为重要。 在座的每个人都想成为高手，我也一样。高手都是在不停切磋中产生的。正好利用今天 这个机会跟大家交流一下自己的想法，分享一下自己的心得。因为水平有限，所以如果有什 么错误希望大家及时批评指正，这就可以达到相互学习的目的。 现在，我想我们每个人都在去往高手的路上了。

射频和微波工程实践入门、用HFSS仿真微波传输线和元件

射频和微波工程实践入门、用HFSS仿真微波传输线和元件

用HFSS仿真微波传输线和元件第一章用HFSS仿真微波传输线和元件 01.1 Ansoft HFSS概述 01.1.1 HFSS简介 01.1.2 HFSS的应用领域 (1)1.2 HFSS软件的求解原理 (1)1.3 HFSS的基本操作介绍 (3)1.3.1 HFSS的操作界面和菜单功能介绍 (3)1.3.2 HFSS仿真分析基本步骤 (4)1.3.3 HFSS的建模操作 (5)1.4 HFSS设计实例1——矩形波导的设计 (10)1.4.1 工程设置 (10)1.4.2 建立矩形波导模型 (11)1.4.3 设置边界条件 (12)1.4.4 设置激励源wave port (14)1.4.5 设置求解频率 (15)1.4.6 计算及后处理 (15)1.4.7 添加电抗膜片 (17)1.5 HFSS设计实例2——E-T型波导的设计 (23)1.5.1 初始设置 (23)1.5.2 建立三维模型 (24)1.5.3 分析设置 (27)1.5.4 保存工程 (27)1.5.5 分析 (27)1.5.6 生成报告 (28)1.6 HFSS设计实例3——H-T型波导的设计 (31)1.6.1 创建工程 (31)1.6.2 创建模型 (32)1.6.3 仿真求解设置 (36)1.6.4 比较结果 (37)1.7 HFSS设计实例4——双T型波导的设计 (39)1.7.1 初始设置 (39)1.7.2 建立三维模型 (40)1.7.3 分析设置 (43)1.7.4 保存工程 (44)1.7.5 分析 (44)1.7.6 生成报告 (45)1.8 HFSS设计实例5——魔T型波导的设计 (47)1.8.1 建立匹配膜片与金属杆 (48)1.8.2 分析设置 (48)1.9 HFSS设计实例6——圆波导的设计 (52)1.9.1 初始设置 (52)1.9.2 建立三维模型 (53)1.9.3 分析设置 (55)1.9.4 保存工程 (56)1.9.5 分析 (56)1.9.6 生成报告 (57)1.10 HFSS设计实例7——同轴线的设计 (64)1.10.1 初始设置 (64)1.10.2 建立三维模型 (65)1.10.3 分析设置 (68)1.10.4 保存工程 (69)1.10.5 分析 (69)1.10.6 生成报告 (70)1.11 HFSS设计实例8——微带线的设计 (77)1.11.1 初始设置 (77)1.11.2 建立三维模型 (78)1.11.3 建立波导端口激励 (79)1.11.4 分析设置 (80)1.11.5 保存工程 (80)1.11.6 分析 (81)1.11.7 生成报告 (82)1.11.8 产生场覆盖图 (82)1.12 HFSS设计实例9——单极子天线的设计 (85)1.12.1 创建工程 (85)1.12.2 创建模型 (85)1.12.3 设置变量 (89)1.12.4 设置模型材料和边界参数 (90)1.12.5 设置求解频率和扫描范围 (93)1.12.6 设置辐射场 (93)1.12.7 确认设置并分析 (93)1.12.8 显示结果 (94)1.13 HFSS设计实例10——方形切角圆极化贴片天线的设计 (98)1.13.1 设计原理及基本公式 (99)1.13.2 创建工程和运行环境设定 (99)1.13.3 创建模型 (99)1.13.4 求解设置 (100)1.13.5 有效性验证和仿真 (100)1.13.6 输出结果 (100)1.13.7 设置变量与参数建模 (102)1.13.8 创建参数分析并求解 (102)1.13.9 优化求解 (104)1.13.10 输出优化后的结果 (105)1.14 参考文献 (108)第一章用HFSS仿真微波传输线和元件1.1 Ansoft HFSS概述1.1.1 HFSS简介Ansoft HFSS （全称High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器）是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以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使其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、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。

微波技术与天线 实验报告

微波技术与天线 实验报告

微波技术与天线实验报告微波技术与天线实验报告引言：微波技术和天线是现代通信领域中不可或缺的重要组成部分。

微波技术的应用范围广泛，包括无线通信、雷达、卫星通信等领域。

而天线作为微波信号的收发器，起到了关键的作用。

本实验旨在通过实际操作和测量，探索微波技术与天线的基本原理和应用。

实验一：微波信号的传输特性测量在本实验中，我们使用了一对微波发射器和接收器，通过测量微波信号的传输特性，来了解微波信号在传输过程中的衰减和干扰情况。

首先，我们将发射器和接收器分别连接到示波器上，并设置合适的频率和功率。

然后，将发射器放置在一个固定位置，接收器在不同距离上进行测量。

通过记录示波器上的信号强度，并计算出衰减值，我们可以得到微波信号在传输过程中的衰减情况。

实验结果表明，在传输距离增加的情况下，微波信号的强度逐渐减弱，呈指数衰减的趋势。

同时，我们还观察到在某些距离上，微波信号受到了干扰，出现了明显的波动和噪声。

这些干扰可能来自于周围的电磁辐射或其他无线设备的干扰。

实验二：天线的性能测量在本实验中，我们选择了不同类型的天线，并通过测量其增益、方向性和波束宽度等参数，来评估天线的性能。

首先，我们使用一个定位器来确定天线的指向性。

通过调整定位器的方向，观察信号强度的变化，我们可以确定天线的主瓣方向。

然后，我们通过改变接收器的位置和角度，测量不同方向上的信号强度，从而计算出天线的增益。

实验结果表明，不同类型的天线具有不同的性能特点。

某些天线具有较高的增益和较窄的波束宽度，适用于需要远距离传输和精确定位的应用。

而其他天线则具有较宽的波束宽度，适用于覆盖范围广泛的通信需求。

实验三：微波技术在通信领域的应用微波技术在通信领域有着广泛的应用。

其中，微波通信是最为常见和重要的应用之一。

通过使用微波信号进行通信，可以实现高速、稳定的数据传输。

微波通信广泛应用于无线网络、卫星通信和移动通信等领域。

此外，微波雷达也是微波技术的重要应用之一。

微波技术与天线实验81利用HFSS仿真UWB天线

微波技术与天线实验81利用HFSS仿真UWB天线

微波技术与天线实验报告
实验名称：采用HFSS仿真UWB天线
学生班级：
学生姓名：
学生学号：
一、实验目的
学会使用HFSS仿真图1所示的超宽带天线，理解天线的工作带宽。

z
r0
图1天线结构图
二、实验步骤
1 画模型
表1 天线三维体模型
中心频率为7.5GHz，对应波长lbd=40mm。

z
r0
ycir=s-r0,zcir=zgnd2+h/2
剪切操作：选择gnd1,gnd2,gnd3，点击Modeler>Boolean>subtract ，将blank 下设置为
gnd1，tool 下设置为gnd2,gnd3
(a)剪切前 (b)剪切后
z
r0
xpatch=xsub+dxsub,ypatch=ycir-wf/2, wf=1.5mm,b=1mm,d=8mm,
2 设置源与边界条件
（1）将gnd的边界条件设置为PerfectE。

（2）将patch设置为PerfectE。

（3）将feed设置为lumped port。

（4）将airbox设置为radiation边界条件。

3 设置求解频率及扫频
（1）analysis>add soultion setup中frequency设置为7.5GHz。

（2）在analysis>setup1>add frequency sweep中频率范围为2-13GHz。

微波技术与天线实验9利用HFSS仿真对称振子天线

微波技术与天线实验9利用HFSS仿真对称振子天线

关于HFSS使用说明：1、按照实际器件的几何结构画图。

画完后三维体在solidsl列表下，二维面在sheets列表下。

2、对solids列表下的三维体进行设置：（1）设置内部材料（material），默认材料为vaccum，如果不是vaccum需要更改材料。

（2）设置外表面三维体的外表面默认为boundary >perfect E，如果不是perfect E则需要设置为源（excitation）或者边界条件（boundary）。

（比如波导的两个端口设置为waveport）。

（3）多个三维体之间的交界面不需要设置，软件自行设置。

3、sheets列表下的二维面要设置为excitation或者boundary，不能为Unassigned。

（1）一个面只设置一次；（2）集总类型的源excitation>lumped port或者集总边界Boundary>Lumped RLC需要先画一个面（这个面在实际器件中并不存在，而是为了设置集总源或者集总元件而需要画），然后在面上设置；（3）为设置集总源或者集总元件而画的面需要连接两个导体，否则在设置时会出错。

4、对于放置于无限大空间的天线，需要画airbox，软件只对airbox内部区域进行数值方法计算，外部区域不需计算。

（1）airbox的外表面距离天线的边界为λ/4~λ/2（airbox尺寸越大计算区域越大需要内存越大）；（2）airbox的表面设置为boundary>radiation。

5、对于excitation与boundary的设置顺序需遵循：（1）如果有peferct E类型的boundary，应在assign excitation前设置；（2）radiation边界条件要在所有的excitation与boundary设置完毕之后进行。

6、扫频计算如果要计算一个频段范围（f1-f2），需要设置frequency sweep，在frequency sweep设置之前需要先设置一个点频f0=(f1+f2)/2，然后通过fast或interpolating方式进行扫频计算。

Ansoft软件在天线电磁兼容中的应用实例

Ansoft软件在天线电磁兼容中的应用实例

- 8 -Ansoft2004年用户通讯Ansoft软件在天线、电磁兼容、射频微波等领域的应用实例杨争光苏东林翟禹戴飞（北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 100083）摘要本文对北京航空航天大学Ansoft培训中心使用ansoft软件解决天线、电磁兼容和射频微波等领域工程问题的应用实例进行了简单介绍。

关键词 HFSS，Serenade，Ensemble，电磁数值计算方法。

Ansoft公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业EDA厂商，是全球最大的专业射频/微波、信号完整性、电磁兼容和电磁干扰、电磁场及机电元件和系统仿真软件供应商。

Ansoft产品被广泛应用于电子设备、集成电路、通讯、航空、航天、汽车、船舶及国防军事等部门。

Ansoft软件是从事射频/微波、EMI/EMC、信号完整性、以及电机/变压器、机电系统领域设计人员的首选工具。

北京航空航天大学RF/EMC研发培训中心致力于射频和电磁兼容领域的研发和培训，该中心实验室研究的领域涉及天线分析和设计、电磁兼容性分析、射频电路设计、目标特性计算和隐身材料和技术研究等。

各研究领域均以电磁场为理论基础，因此基于计算电磁学技术的Ansoft 软件产品在本实验室的研究中发挥了巨大作用。

为进一步推动Ansoft软件产品在电磁领域的应用，北京航空航天大学与Ansoft公司联合成立了北京航空航天大学-Ansoft培训中心，培训中心于2003年10月29~30日在北京航空航天大学举行了第一期培训。

本文将对北航Ansoft培训中心在使用Ansoft软件解决天线、电磁兼容和射频韦伯等领域的工程问题的实例进行介绍。

一.天线问题Ansoft 软件可用于天线分析和设计问题的工具是HFSS和Ensemble。

本中心采用这两种仿真工具对多种不同形式的天线进行了仿真，部分天线进行了优化设计。

主要有喇叭天线和阵、对数周期天线、有源集成天线、分形技术天线、螺旋天线、微带贴片天线、多种柱体和锥体共形天线、GPS天线、通信用马刀天线等。

HFSS技术在微波实验中的应用研究

HFSS技术在微波实验中的应用研究
为诸 多教师 关 注的焦点 之一 。
设备配备不足的问题。 传统实验教学模式 和手段 的局限性 ， 已经 成 为高 校 教 学发 展 的一 个 重 要 的
制 约因素 。
针对实际教学过程中学生存在的问题 ， 利用 Ａ ｓｆ ＨＦ Ｓ ｎｏｔ Ｓ 将微波实验 的内容进行 了仿真研 究， 力求元件尺寸的精确性和结构的完整性 ， 将场
能够较为深刻地理解波导 的传播模式和传播特
１ 实验系统概述
微波 的传输 特性 与基本物 理量 的测 量实验 是
性， 对各种微波元器件有一个具体形象的了解 ， 在
进 实验室操 作 的时候 ， 不会再感 到手 忙脚乱 ， 从而 降低 仪器受 损 的概 率 ， 可谓一举 多得 。
近代物理实验中一个非常重要且基本的实验 ， 其 实验 目的主要是进行微波的频率测量 、 功率测 量
和研究 提出了一条新思路 。 介绍 了基于 ＨＲ 开发 的微波虚拟 实验 系统 的构想来源 、 理论依 据、 基本结 构功能、 实现手段和所达到 的效果 ， 分析 了运用 软件仿真进行微波虚拟实验的优越性 。 并 关 键 词 ： Ｓ ￣ 波； ＨＦ Ｓ 微 仿真 ； 波导 ； 口 端
文献标识码 ： Ａ 中图分类号 ： — ３ Ｏ４ ３
态、 电磁波在 真空 和介质 中 的传 播 ， 种微 波元 器 各
部特性， 还要考虑每个微波器件的内部结构。 由于 实验所用器件的功率通常较小 ， 系统一般可 以认 为是线性 的， 以可以将各微 波器件等效为特性 所 各异的单端 口、 二端 口或 四端 口网络并通过计算
件的传播特性等知识 ， 不仅涉及到三维及更多维
和驻波 测量 ， 以便 于更好地 了解微 波 的传输 特性 。

Ansoft HFSS 在天馈系统教学实训中的应用

Ansoft HFSS 在天馈系统教学实训中的应用

Ansoft HFSS 在天馈系统教学实训中的应用作者：吴香林余小兰刘大良来源：《现代职业教育.高职本科》 2016年第11期［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AnsoftHFSS15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AnsoftHFSS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（HighFrequencyStructureSimulator）的缩写，是美国Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件。

AnsoftHFSS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。

微波技术与天线仿真实验报告

微波技术与天线仿真实验报告

《微波技术与天线》HFSS仿真实验报告实验二H面T型波导分支器设计一．仿真实验内容和目的使用HFSS设计一个带有隔片的H面T型波导分支器，首先分析隔片位于T型波导正中央，在8~10GHz的工作频段内，波导输入输出端口的S参数随频率变化的关系曲线以及10GHz 时波导表面的电场分布；然后通过参数扫描分析以及优化设计功能分析在10GHz处输入输出端口的S参数随着隔片位置变化而变化的关系曲线；最后利用HFSS优化设计功能找出端口三输出功率是端口二输出功率两倍时隔片所在位置。

二．设计模型简介整个H面T型波导分为两个部分：T型波导模型，隔片。

见图1。

图1三．建模和仿真步骤1.运行HFSS并新建工程，把工程另存为Tee.hfss。

2.选择求解类型：主菜单HFSS→solution type→driven modal，设置求解类型为模式驱动。

3.设置长度单位：主菜单modeler→units→in，设置默认长度单位为英寸。

4.创建长方体模型1）从主菜单选择draw→box，进入创建长方体模型的工作状态，移动鼠标到HFSS工作界面的右下角状态栏，在状态栏输入长方体的起始点坐标为（0，-0.45,0），按下回车键确认之后在状态栏输入长方体的长宽高分别为2,0.9，0.4。

2）再次按下回车键之后，在新建长方体的属性对话框修改物体的位置，尺寸，名称，材料和透明度等属性。

在attribute选项卡中将长方体名称项（name）修改为Tee，材料属性（material）保持为真空（vacuum）不变，透明度（transparent）设置为0.4。

3）设置端口激励4）复制长方体第二个和第三个臂5）合并长方体5.创建隔片1）创建一个长方体并设置位置和尺寸2）执行相减操作上诉步骤完成后即可得到H面T型波导的三维仿真模型图如图2所示图26.分析求解设置1）添加求解设置：在工程管理窗口中展开工程并选中analyse节点，单击右键，在弹出的快捷菜单中选择add solution type并设置相关参数，完成后工程管理窗口的analyse节点下会添加一个名称为setup1的求解设置项2）添加扫频设置：在工程管理窗口中展开analysis节点，右键单击前面添加的setup1求解设置项，在弹出菜单中单击add frequency sweep，并设置sweep name，sweep type，等表13）设计检查7.运行仿真分析：HFSS→analyze all四．仿真结果分析1.图形化显示S参数计算结果图3为S11，S12，S13幅度随着频率变化的曲线。

HFSS在微波天线教学中的应用

HFSS在微波天线教学中的应用

科学技术创新H FSS 在微波天线教学中的应用李云潇(山东农业大学信息科学与工程学院,山东泰安271018)加强HFSS 仿真软件在微波天线中的应用正当其时。

多年来,随着通信技术发展,微波低频段的频谱干扰日趋严重,逐渐不能满足人们日常的通信需求。

毫米波不仅频带宽,而且具有传输速度快、通信安全性高、传输质量好等优点,极大地弥补了微波低频传输的缺点,因而学界愈加关注频谱资源丰富的毫米波频段[1-2]。

在通信工程领域,微波技术与天线是相关学科学生的重要课程,主要涵盖电磁场、电磁波相关知识,但其内容较为抽象、公式相对繁杂,尤其是微波天线的工作过程难以演示,相关内容长期以来是学生学习的难点[3]。

本研究着眼的HFSS (全称为仿真软件HFSS ),可以有效地解决内容抽象、公式难以理解等问题,且便于随堂演示,适合学生就仿真微波天线工作过程进行实操实践。

1教学中的常见问题在以往教学中,由于常见的微波天线规格十分微小,课堂上难以实现微小器件工作原理的演示,而操作试验箱大概率出现明显误差现象。

相较与此,HFSS 在模型建立过程中,大小、尺寸易于设置,边界条件添加方便,参数修订灵活,适合模拟天线类小尺寸器件,学生经简单学习后便可熟练掌握。

在实验过程中,HFSS 可采用三维视角操作,产生图像立体直观、精准度高、严谨客观、色彩鲜明,且能够实现动态演示。

因而在理论学习的过程中借助仿真软件HFSS 不失为辅助教学的良好方案。

本课题还了解到,教学实践中发现了若干使用HFSS 不便的情况。

例如HFSS 适合波长等于电器尺寸的仿真,如仿真分布参数电路,但部分课程还会涉及集总参数电路,该电路中的R (电阻)C (电容)L (电感)等器件波长远大于电系统的实际尺寸,单纯依靠HFSS 天线仿真实验繁琐、过程复杂,完成困难度较高。

经过研究,现已能采取多种方式加以克服,一是利用阻抗边界条件,将其边界设置LumpRLC ,一边默认为直接与地面连接,便可以简易地承担集总参数的仿真;二是配合使用专门适合仿真集总参数电路的仿真软件,如ADS 仿真软件,运用多系统配合达到更好的效果。

27617977_基于HFSS的微波技术与天线课程教学探索——以桂林理工大学信息科学与工程学院为例

27617977_基于HFSS的微波技术与天线课程教学探索——以桂林理工大学信息科学与工程学院为例

Science&Technology Vision科技视界【摘要】微波技术与天线是电子信息类专业的一门专业基础课,理论性强、抽象概念多,按照传统教学方式直接讲授,会使初学者难以掌握和理解其本质含义,导致教学效果欠佳。

因此,如何形象且准确地将微波与天线的知识讲授给学生是这门课程教学的重要探索方向。

为此,文章将电磁仿真软件HFSS引入微波技术与天线课程教学中,借助HFSS直观界面以及强大功能,将抽象的理论概念以实际模型与形象的图形进行模拟与演示,不仅使学生可以深刻理解相关概念,还使学生明白了理论学习的重要性,提高了学生主动学习的积极性,从而提升教学效果。

【关键词】电磁仿真软件;微波技术与天线;教学效果DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2022.19.190引言微波技术与天线这门课程是通信工程、电子信息工程、电子科学与技术等专业的专业课程之一,也是无线通信从业人员的必修课程。

课程基于电磁场、电磁波理论,内容抽象,理论性强,对学生的物理、数学类基础有较高的要求,理解起来较为困难[1,2]。

同时天线的种类较多,如振子天线、天线阵、面天线等,各种天线的特性及应用情况都有所不同。

因此,如何让学生更容易理解和吸收微波技术理论和电磁波传输过程和特性具有非常重要的意义。

桂林理工大学信息科学与工程学院的微波技术与天线课程分为理论教学部分和实验教学部分。

通常理论教学部分采用较为传统的教学方式,对于电磁场和电磁波的理论知识,进行详细的推导讲解,学生难以完全接受掌握,学习兴趣不高,导致课堂教学效果不佳。

在实验教学部分,由于电磁波不可见、难以直接进行测量,且微波测量设备价格昂贵,容易损坏,无法从实物实验中增加学生对微波及天线的感性认识,从而也增加了课程的学习难度。

随着计算机技术的快速发展,利用电磁仿真软件对微波器件进行建模仿真,对天线辐射和电波传播过程进行模拟仿真变得越来越方便。

因此将电磁仿真软件应用到微波技术与天线的课程教学中,借助电磁仿真软件将抽象的概念可视化,让学生对电磁波的传播过程、天线的设计和辐射有更直观的认识,从而加强学生对微波器件和天线特性相关知识的理解,提高学生的工程实践和应用能力。

Ansoft HFSS在天线设计中的应用

Ansoft HFSS在天线设计中的应用
?天线?平面天线贴片微带振子喇叭共形手机天线螺旋?波导圆方喇叭波导缝隙?线天线振子螺旋?阵列天线无限阵频率选择表面fss光子带隙pbg?雷达散射截面rcs?微波电路?滤波器腔体滤波器微带滤波器介质滤波器?电磁兼容emc电磁干涉emi电磁屏蔽耦合近远场辐射?连接器同轴sfpxfp底板转换器?波导滤波器谐振器转换器耦合器?半导体gaas螺旋导体变压器?信号完整性调整数字电路?封装bgaqfpflipchip?pcb板功率地板网格地板底板?连接器sfpxfpvhdmgbxnexlev同轴?转换器differentialsingleended过孔12121212关于有限元算法关于有限元算法hfss是采用有限元fem这种算法的因此了解这个软件先从算法开始吧
微波电路 � � � � � 滤波器－腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器 电磁兼容（EMC）/电磁干涉（EMI）－电磁屏蔽、耦合、近/远场辐射 连接器－同轴、SFP/XFP、底板、转换器 波导－滤波器、谐振器、转换器、耦合器 半导体/GAAs－螺旋导体、变压器
�
信号完整性/调整数字电路 � � � � 封装－BGA、QFP、flip-chip PCB 板－功率/地板、网格地板、底板 连接器－SFP/XFP、VHDM、GBX、NexLev、同轴 转换器－Differential/Single-ended 过孔
7
Maxwell 方程有积分和差分两种形式，因此也各有算法相对应。矩量法（ MOM ）是求 解积分方程的一种算法， 它通过求得散射体上的电流从而推出整个空间的场， 因此它只需在 散射体上划分网格。而时域有限差分法（FDTD）和有限元是求解差分方程的算法。它们直 接求解整个空间的场从而得到整个空间的场。直接求解整个空间的场？Are you crazy?好吧， 我承认求解整个空间的场是不可能的， 但不代表这种算法只存在于想像中。 总有聪明的人想 出聪明的办法来，他们人为的在散射体周围放置一种吸收边界，类似于暗室的吸波材料， 来 波入射到上面就被吸收， 因此不会有反射干扰到吸收边界之内的场， 由求得的近场则可以推 得整个空间的场。 还有一个分支是图上没有表达出来的，那就是时域、频域之分。时域有限差分法顾名思 义是时域算法，与之类似的还有 CST 采用的有限积分法。而矩量法和有限元法则属于频域 算法。至于具体的原理就不多说了，我们只要知道时域算法适用于宽频带，而频域算法适用 于窄频带就好。 另外， 我们还要知道为什么这几种算法为什么称为低频算法。 称为低频算法并不意味只 能计算很低的频率。 这主要是因为这种算法假设工作波长远远大于结构体的尺寸， 所以在对 结构离散化的时候就不能忽略细节问题，是一种严格的分析方法。而与之对应的高频算法， 则是假设工作波长远远小于结构体的尺寸， 这样就可以在计算的时候做一些近似。 比如一个 球面上的散射问题，由于有上面的假设，则可以把球面的某个区域等效为一个平面来求解。 既然是讲 HFSS 的，那我们还是主要来了解一下有限元这种算法的几个主要术语吧。 � � FEM－finite element method 有限元; Element － 单 元 指 有 限 元 法 中 对 整 体 问 题 细 分 后 的 小 个 体 。 HFSS 中 采 用”tetrahedral”（四面体）elements; � Meshing－网格剖分，即对求解空间细分、然后定义所有四面体单元顶点位置的过 程。我们必须给予 HFSS 的自适应网格剖分技术充分的肯定。我认为在电磁仿真软 件中最重要的不是算法，而是网格剖分。模型易建，算法成熟，直接决定最后的计 算精度的是网格对模型离散化的效果。可以把网格看作模型和算法之间的桥梁， 它 使算法得以实用化，而不是只存在于文献中的大量让人头痛的公式。HFSS 初始网 格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格 可以快速解计算并提供场解信息， 以区分出高场强或大梯度的场分布区域。 然后只 在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确

基于HFSS仿真软件的微波天线课程教学探索

基于HFSS仿真软件的微波天线课程教学探索

Abstract: In order to enable students to understand the basic principle and physical significance of the radiation of microwave antennas, the electromagnetic simulation software HFSS is applied in the teaching exploration of microwave antenna course, transforming the abstract antenna theory into visualized graphics demonstration, so as to improve the learning enthusiasm of students and the teaching effect. By taking microstrip antenna as an example, HFSS is used to analyze and demonstrate the antenna’s reflection coefficient, radiation pattern and gain. Practice has proved that this perceptual cognition teaching method is helpful for students to understand and master the theory of microwave antennas. Key words: microwave antenna; radiation pattern; electromagnetic field simulation software; teaching method

电磁仿真软件在微波技术课程教学中的应用

电磁仿真软件在微波技术课程教学中的应用

电磁仿真软件在微波技术课程教学中的应用陈晓辉;郭欣欣【摘要】针对微波技术课程的特点,使用电磁仿真软件辅助理论讲解解决教与学中存在的问题.以波导定向耦合器和极化转换器两款微波器件的教学为例,通过可视化的电磁场、内部及外部的特性曲线来分析验证其工作原理.教学实践表明,使用电磁仿真软件作为微波技术课程教学的手段,可以帮助学生深入理解教学内容,了解仿真技术在微波工程中应用,提升教学效果.【期刊名称】《实验室科学》【年(卷),期】2018(021)002【总页数】4页(P154-157)【关键词】微波技术;教学;电磁仿真【作者】陈晓辉;郭欣欣【作者单位】安徽工程大学电气工程学院,安徽芜湖241000;安徽工程大学电气工程学院,安徽芜湖241000【正文语种】中文【中图分类】TN015“微波技术”是通信工程专业无线通信方向一门重要的专业技术课，一般安排在工程数学、电路分析、电磁场与电磁波等基础课程之后，授课对象为大三或大四本科生。

与前期课程相比，微波技术具有较强的工程实践背景，教学内容主要包括均匀传输线理论、导波原理、微波网络基础和微波元器件等。

通过课程学习，学生要能运用场或路的方法分析微波信号的传输与变换过程，了解常用微波元器件的功能和原理，进行简单微波元器件的设计。

学好这门课对培养学生在微波工程领域的实践动手能力和创新设计能力具有十分重要的作用［1－2］。

1 微波技术课程教学中存在的问题在多年的教学实践中，笔者发现达到这门课程的教学目标并非易事。

首先微波技术的先前课程大多概念抽象、理论性强，学生基础不扎实，到了专业课阶段，需要综合运用基础理论来解决实际问题时，前期积累的问题就会集中凸显，比如要看懂波导场结构的表达式就要求学生必须熟悉复数、矢量和复矢量的基本概念［3］；理解微波元器件的功能实现要求学生掌握波的反射、透射和叠加原理等。

另外一方面，由于电磁波不可见且难以直接测量，学生缺少必要的感性认识，从而增加了课程学习难度。

基于HFSS的微波技术与天线课程教学探索——以桂林理工大学信息科学与工程学院为例

基于HFSS的微波技术与天线课程教学探索——以桂林理工大学信息科学与工程学院为例

基于HFSS的微波技术与天线课程教学探索——以桂林理工
大学信息科学与工程学院为例
赵加宁;李芳
【期刊名称】《科技视界》
【年(卷),期】2022()19
【摘要】微波技术与天线是电子信息类专业的一门专业基础课,理论性强、抽象概念多,按照传统教学方式直接讲授,会使初学者难以掌握和理解其本质含义,导致教学效果欠佳。

因此,如何形象且准确地将微波与天线的知识讲授给学生是这门课程教学的重要探索方向。

为此,文章将电磁仿真软件HFSS引入微波技术与天线课程教学中,借助HFSS直观界面以及强大功能,将抽象的理论概念以实际模型与形象的图形进行模拟与演示,不仅使学生可以深刻理解相关概念,还使学生明白了理论学习的重要性,提高了学生主动学习的积极性,从而提升教学效果。

【总页数】3页(P63-65)
【作者】赵加宁;李芳
【作者单位】桂林理工大学信息科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】G63
【相关文献】
1.基于HFSS仿真软件的微波天线课程教学探索
2.工科专业英语课程思政内容教学探索
——以桂林理工大学勘查技术与工程专业为例3.工科专业英语课程思政内容教学探索——以桂林理工大学勘查技术与工程专业为例4.基于HFSS的微波技术与天线课程教学实践与探索5.“金课”背景下英语专业视听类课程混合式教学模式探索实践——以兰州理工大学技术工程学院为例
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一种以利用Ansoft HFSS软件对天线性能进行分析的圆极化微带天线的设计

一种以利用Ansoft HFSS软件对天线性能进行分析的圆极化微带天线的设计

一种以利用Ansoft HFSS软件对天线性能进行分析的
圆极化微带天线的设计
 0 引言
 微带天线由于独特的结构和多样化的性能，在各种无线电设备上得到了广泛的应用。

和常用的微波天线相比，微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、能与载体（如飞行器）共形等优点。

其中圆极化微带天线，由于它能够接收任意极化的来波，并且其产生的圆极化辐射波可以被任意极化的天线所接收，从而越来越受到人们的关注。

用微带天线产生圆极化辐射波的关键是产生两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的线极化波。

 本文研究了一种中心开槽的圆极化缝隙微带天线，并用Ansoft HFSS软件对天线性能进行分析，设计了一种超高频圆极化微带天线。

1 天线理论分析与设计
 1．1 圆极化理论
 根据腔模理论可知，一个形状规则的单片微带天线由一点馈电可产生极化。

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[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
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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
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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