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基于HFSS仿真的设计型天线实验的研究

作者：程春霞孙文方苏博

来源：《教育教学论坛》2018年第23期

摘要：基于HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）仿真软件设计了微带天线的仿真

设计实验，通过合理的设计实验实施过程，有效地避免了实验实施过程中相互抄袭的问题，培

养了学生独立研究的能力，提升了实验教学的效果。通过仿真设计型实验不仅加深了学生对相

关基础知识的认识，而且使学生熟悉了常用射频、天线工程设计软件，增加了学生工作和深造

的竞争力。

关键词：HFSS；设计型；实验研究；天线

中图分类号：G482文献标志码：A文章编号：1674-9324（2018）23-0276-03

无线通信、射频识别已经渗透到民用、国防的各个方面，而天线是这些系统中必不可少的

设备，因此也就需要了解天线结构和原理并能将其应用于具体的工程。天线理论的基础是电磁

场理论，其数值求解过程非常复杂，同时它又与工程联系紧密，必须配合必要的实验教学才能

培养出兼具理论知识和工程实践能力的人才。

由于传统的天线实验所需的设备昂贵，而且对实验环境的要求较高，因此大多数高校的天

线实验是测量天线特性的验证型实验[1，2]，而在研发设计领域，电磁仿真软件HFSS、CST、

Microwaveoffice等已成为重要的设计工具，为了满足工程设计的需求，很多高校开设了天线

的仿真实验[3-9]。

HFSS是使用较早而且用户较多的一款全波三维电磁仿真软件，该软件的仿真模型可以直

接导出加工，可以计算天线的回波损耗、驻波比、远场辐射方向图、输入阻抗等参数[10]。本

文利用HFSS软件进行天线的实验教学，通过合理的设计实验来避免仿真实验中学生相互抄

袭，加强对学生实验过程的考核，使每一位学生通过实验都能加深对基础知识的理解、熟悉常

用工程设计软件，提高实验教学的效果。

一、实验内容的设计

设计型实验由教师提出微带天线的设计指标，学生根据指标完成从理论设计到仿真调试的

过程。

为了便于后面扩展到实物加工调试，微带天线的介质板选用介电常数2.2，介质厚度

1.2mm，尺寸150mm×150mm；为了防止学生之间互相抄袭，每位学生所设计天线的中心频率

（单位MHz）与自己的学号和所在的班级相关，本届学生共有三个小班，分别为11、21和29

班，11班的中心频率为f0-11=2000-10n11×（n11为11班学生学号的最后两位），21班的中心

频率为f0-21=2000+10×n21（n21为21班学生学号的最后两位），29班的中心频率为f0-

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29=2000+10×n21max+10×n29（n21max为21班学生的总人数，n29为29班学生学号的最后两

位）；相对带宽（S11

实验步骤为：（1）学生根据实验要求完成微带天线的理论设计，并提交理论设计过程和

结果，理论设计作为最终实验成绩的一部分。（2）根据理论设计在仿真软件中进行建模并调

试，调试过程记录各个参数的变化对天线性能的影响，并从理论上进行分析。（3）按照实验

报告要求撰写实验报告。

二、实验的实施

下面以中心频率2000MHz的天线为例来介绍设计型实验的实施过程。

理论计算。理论计算是微带天线设计实验的第一步，其辐射贴片（如图1.1所示）的宽

边、长边、输入阻抗的计算公式如下[11，12]。

W=L=-2ΔL（1）

，Z=W≤λ，W≥λ（2）

其中，W和L分别为辐射贴片的宽度和长度，c为光速，f0为天线的中心频率，εe和ΔL

可由下面两个式子计算。

εe=+1+12（3）

ΔL=0.412h（4）

通信系统的输入阻抗一般为50Ω，但是微带天线辐射贴片的输入阻抗Zin≠50Ω，因此需要

把辐射贴片的输入阻抗变换到50Ω，这就需要用到理论课中讲到的阻抗匹配的相关内容，常用

的阻抗匹配有单枝节匹配、双枝节匹配、λ/4阻抗变换器等方法，单枝节匹配和λ/4阻抗变换

器是两种比较简单的阻抗匹配方法，可以任选一个来把微带