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摘要：微波技术与天线课程具有概念抽象、理论性强的特点。本文应用ADS实现微带线并联支节阻抗匹配，应用HFSS演示半波对称振子天线的方向图。实践证明在该课程中引入电磁仿真软件有助学生理解掌握教学内容及提高学生积极性，提高了教学质量。
关键词：微波技术；ADS；HFSS；教学实践
本文引用格式：马立宪等.电磁仿真软件在微波技术与天线课程教学实践中的应用[J].教育现代化，2019，6（14）：58-60
微波技术与天线课程是电子通信类专业一门重要的专业技术课，该课程以工程数学、电路分析、电磁场与电磁波等课程为基础。与专业基础课程相比，微波技术具有较强的工程实践背景。该课程主要研究电磁波的传输与变换工程，教学内容主要包括：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等。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]
一 课程教学中存在的挑战
微波技术与天线课程中有关传输线的工作状态分析、阻抗匹配方法、波导场结构和大量微波元器件性能等内容都非常抽象，而它们又恰好是微波工程设计的重要部分，因此如何在教学过程中使学生能够容易理解和掌握这些知识点是主讲教师面临的一个重要问题。[3]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。在实验教学部分，实物实验有助于培养学生的动手实践能力，但存在设备价格昂贵，易损坏等缺点。[4]
二 ADS与HFSS仿真软件简介
安捷伦公司ADS（Advanded Design System）集成了芯片级、电路级和系统级的仿真模块，可以进行各种射频微波电路的仿真设计。能实现包括时域和频域电路仿真、三维电磁结构仿真、通信系统仿真等。ADS可用来分析带状线、微带线、共面波导等多种传输线的电磁特性，微带天线的辐射特性以及电路上的各种寄生、耦合效应等。[5]Ansoft公司的HFSS软件使用自适应网格剖分技术可以求解任意无源器件的电磁场问题。可进行如下功能分析与求解：多端口S参数、近远场区的辐射场与方向性分析、端口特征阻抗和传输常数求解、结构的本征模求解等。数据后处理功能强大，可以用表格、二维、三维动画、史密斯圆图等多种形式展示仿真结果。另外还可对微波器件结构参数进行优化和扫描分析。[6]
借助电磁仿真软件能灵活地对微波器件性能进行分析并优化，具有良好的可视化、形象化等特点，必然会加深学生对课程内容的理解。本文结合教学实例，就ADS与HFSS软件在教学实践中的应用进行阐述。
三教学案例1-微带并联单支节阻抗匹配
如图1所示，中心频率2.4GHz，设负载阻抗为ZL=100+j50Ω接入特性阻抗Z0=50Ω的传输线上，要用并联开路单支节调配法实现负载与传输线的匹配。[3]试用ADS仿真软件中的史密斯圆图求支节的长度l及离负载的距离d。矩形波导主模TE10的场分量可表示为：
如图2所示，采用ADS中的Smith圆图匹配功能，能很好的解释这一匹配过程：具体实现步骤如下：
（1）归一化负载阻抗，在阻抗圆图上找到归一化负载阻抗值，并将阻抗圆图切换到导纳圆图，此时，这点就是负载的导纳点；
（2）从负载点Yl出发，在等反射系数圆上，沿顺时针方向（向电源）旋转，达到等反射系数圆与导纳圆图上1+jx圆的交点1-j；
（3）根据第（2）步中移动的电长度，得到并联短截线距离负载的距离d；
（4）确定并联短截线的归一化导纳值：等反射系数圆与导纳圆图上1+jx圆的交点对应的归一化导纳的电纳值，即为并联短截线的归一化导纳值的负值；
（5）由圆图上开路点出发，沿大圆顺时针旋转（电纳不变）合适距离，达到对应的导纳点，根据旋转的电长度得到短截线长度l的值。
在本例中，若采用微带线并联开路单支节匹配，利用ADS自带的微带线建模与长度计算功能，即可求出所求微带线的实际长度l与离负载的微带线实际距离d。
四教学案例2-矩形波导主模场结构
矩形波导主模的场结构是分析和研究波导问题、模式的激励，设计波导元件的基础和出发点。人们分别用电力线、磁力线分布的疏密程度和箭头方向描述波导内电磁场分布特点。[7]其中μ是波导中填空材料的磁导率，ω是工作频率，α是波导宽边尺寸，β是传播常数。
以α=72.14mm，b=30.4mm的空心波导为例，矩形波导中的几个关键截止波长：
λcTE10=2α=14.428cm，λcTE20=α=7.214cm λcTE01=2b=6.08cm，HFSS仿真时信号源的频率设为3GHz，其波长为10cm，可见波导中只能传输TE10模。图3-5分别给出了传输状态主模工作时电力线、磁力线和表面电流大小沿传播方向的分布图。
由图3-4中电场和磁场的分布特点，能清楚的看到波导在传输状态工作时电磁场的分布特性，其电场只有沿y轴方向分量，电场在波导宽边中心处有极值。磁场有沿x轴和z轴方向两个分量，Hx在波导宽边中心处有极值。图5给出了主模传输时表面电流的大小及方向分布图。
五 教学案例3-半波对称振子天线
假设半波振子天线振子沿z轴放置，其上的电流分布为I(z)=Im sinβ(h-|z|)，其中，β为相移常数，h为单个振子长度，则细振子天线的辐射场为：
|F(θ)|是对称振子的E面方向函数。由于|F(θ)|是不依赖于φ，所以H面的方向图为圆。图6是利用HFSS软件呈现出天线的三维立体方向图。图7分别是半波对称振子天线的E面与H面方向图，可以直观地看到半波对称振子天线在H面是全向辐射；而在E面θ=90°方向上有最大辐射，在θ=0°方向上辐射为零。[6]我们还可以利用HFSS软件形象的呈现出半波振子天线的电磁波向外辐射情况，并可演示展现出动画效果。
六 结束语
本文将电磁仿真软件ADS与HFSS应用到微波技术与天线课程教学中，把理论知识教学和虚拟仿真技术充分结合，将难以理解的概念、性质进行仿真分析，并将结果二维图形显示或三维动态演示。教学实践表明，结合电磁仿真软件作为该课程教学实践的手段，可以帮助学生深入理解教学内容，增加课堂信息量，有效提高课堂教学质量，提高学生兴趣。
参考文献：
[1]宋立众，王淼，聂玉明，等.超宽带缝隙螺旋天线仿真与教学应用研究[J].实验技术与管理，2014，31（5）：74-76。
[2]马愈昭，许明妍，范懿.电磁场与微波技术课程的三种特色教学手段[J].武汉大学学报（理学版），2012，58（S2）：109-112。
[3]刘学观，郭辉萍.微波技术与天线[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012.
[4]许峰，李先允，杨志超，陈刚，王书征，Simulink辅助“电力电子技术”教学的实践[J].电气电子教学学报，Vol.35,No.2:115-117.
[5]陈艳华，李朝晖.ADS应用详解-射频电路设计与仿真[M]北京:人民邮电出版社,2013.
[6]李明洋.HFSS电磁仿真设计从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2011.
[7]李海英，吴振森.电磁场仿真软件在“微波技术”课堂教学中的应用[J].电气电子教学学报，Vol.38,No.2:143-145.
[8]张昕,钟东洲,李继岚.MATLAB与JAVA在电磁仿真系统中的应用[J].教育现代化,2017,4(18):134-135.
[9]陈宏巍,许爽.微波技术课程的翻转课堂教学改革与实践[J].教育现代化,2018,5(01):92-94.
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