黃健全 蔣純志 譚喬來

湘南學(xué)院 物理與電子信息工程系 湖南郴州，423000

HFSS仿真在電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)中的應(yīng)用

黃健全 蔣純志 譚喬來

湘南學(xué)院 物理與電子信息工程系 湖南郴州，423000

電磁場(chǎng)與電磁波是信息及相關(guān)領(lǐng)域中最為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。文章介紹了在電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)中引入HFSS仿真的意義，給出了傳輸線教學(xué)的應(yīng)用實(shí)例。實(shí)踐證明，應(yīng)用HFSS虛擬仿真進(jìn)行輔助教學(xué)，可以有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，幫助學(xué)生理解電磁場(chǎng)與電磁波的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的電磁場(chǎng)理論學(xué)習(xí)熱情，提高其工程實(shí)踐能力。

電磁場(chǎng)與電磁波；輔助教學(xué)；傳輸線；HFSS

隨著航空航天、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信和大規(guī)模高速集成電路等技術(shù)的迅速發(fā)展，電磁場(chǎng)與微波技術(shù)已成為電子信息領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)、熱點(diǎn)。作為該專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一[1]，電磁場(chǎng)與電磁波理論性強(qiáng)，涉及數(shù)學(xué)知識(shí)較多、較深。同時(shí)，電磁場(chǎng)與電磁波空間分布復(fù)雜，具有不可見和不可感知的特點(diǎn)。如果按照傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，必然面對(duì)大量繁冗復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，難以得到直觀的三維電磁場(chǎng)分布圖形，這種枯燥的教學(xué)方法不夠直觀，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果往往差強(qiáng)人意。

HFSS !High Frequency Structure Simulator，是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件，能夠快速精確計(jì)算各種射頻/微波部件的全波電磁特性，是當(dāng)今最為流行的微波/射頻工程設(shè)計(jì)軟件之一。在電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)過程中引入HFSS虛擬仿真，通過HFSS設(shè)計(jì)模型、實(shí)例來講解電磁場(chǎng)與電磁波的空間分布與傳播。一方面可以幫助學(xué)生深刻理解教材的有關(guān)概念、理論；另一方面，讓學(xué)生提前接觸、使用微波設(shè)計(jì)軟件，為今后的學(xué)習(xí)、工作積累工程經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì)。

1 Ansoft HFSS 軟件應(yīng)用實(shí)例選擇

場(chǎng)理論是電磁理論的基礎(chǔ)，對(duì)于任何電磁問題都可以采用場(chǎng)理論的方法進(jìn)行分析。而較容易被理解和接受的路理論則是場(chǎng)理論在直流或者低頻狀態(tài)下的近似。電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)任務(wù)之一就是幫助學(xué)生建立場(chǎng)和波的思想，用場(chǎng)和路的思路來分析、理解電磁場(chǎng)與電磁波。如傳輸線相關(guān)的教學(xué)，要使學(xué)生不囿于低頻路的局限，用場(chǎng)和波的思想來研究電磁場(chǎng)與電磁波在其中的傳播。

傳輸線是微波電路與系統(tǒng)中的重要組成部分，既是導(dǎo)引電磁場(chǎng)傳播的媒質(zhì)，也是構(gòu)成微波器件及電路的重要組成部分。受到高頻電壓或電流激勵(lì)時(shí)，傳輸線及其周圍空間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)將產(chǎn)生相應(yīng)變化。傳輸線上的電壓、電流變化與電場(chǎng)、磁場(chǎng)都遵守時(shí)變電磁場(chǎng)規(guī)律。當(dāng)傳輸線的物理長(zhǎng)度與導(dǎo)波長(zhǎng)相比很小時(shí)，可以采用分布參數(shù)電路理論，建立傳輸線元的電流、電壓電報(bào)方程來分析、求解[2]。在講授該部分內(nèi)容時(shí)，發(fā)現(xiàn)純理論的數(shù)學(xué)分析帶給學(xué)生的只是一種抽象模型，無法與具體的傳輸線聯(lián)系起來，難以理解傳播相速、阻抗等參數(shù)的含義，更談不上傳輸線上電磁場(chǎng)的分布。為了給學(xué)生以更具體、形象的講解，筆者應(yīng)用HFSS建立微帶傳輸線模型，并分別用演示了傳輸線中電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電流靜態(tài)分布和動(dòng)態(tài)變化，取得了較好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)具體實(shí)施步驟

在教學(xué)過程中引入HFSS虛擬仿真，主要步驟如下：

(1)確定典型實(shí)例來求解實(shí)際電磁場(chǎng)與電磁波問題，如選擇微帶線、半波振子等；

(2)掌握HFSS軟件各模塊使用方法，包括定性分析和定量計(jì)算及對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析和研究；

(3)修改原有教學(xué)文件，增加電磁場(chǎng)與電磁波仿真實(shí)例，使原來看不見、摸不著的場(chǎng)用形象的電流線、電場(chǎng)線甚至傳播過程動(dòng)態(tài)演示出來；

(4)教學(xué)過程中，復(fù)雜模型可以課前建好，簡(jiǎn)單模型則可以課堂完成，從而增加教學(xué)信息量，提高學(xué)生電磁場(chǎng)與電磁波方面的工程經(jīng)驗(yàn)。

3 微帶傳輸線教學(xué)實(shí)例

講解傳輸線時(shí)，為了避免純理論的數(shù)學(xué)分析，筆者應(yīng)用HFSS軟件進(jìn)行輔助教學(xué)。整個(gè)微帶建模、仿真過程比較簡(jiǎn)單，可以在課堂上通過多媒體設(shè)備演示，如圖1。

圖1 微帶傳輸線的HFSS模型

仿真完畢，繪出傳輸線上的電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布，如圖2和3。通過設(shè)問，讓學(xué)生比較圖2的電流和圖3的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布與他們想象的是否一致，加深學(xué)生對(duì)傳輸線的認(rèn)識(shí)?？梢钥闯?，傳輸線工作于高頻時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)波長(zhǎng)均可與傳輸線長(zhǎng)度相比較，集總電路的分析方法不再適用，但可以像教材中利用分布參數(shù)建立微分模型，其本質(zhì)還是高頻場(chǎng)理論在微結(jié)構(gòu)中用路理論來等效[2]。另一方面，比較電流與電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布，可以回顧傳輸線中傳導(dǎo)電流是由信號(hào)導(dǎo)體與地之間介質(zhì)中的位移電流(電位移對(duì)時(shí)間的變化率)轉(zhuǎn)化而來的，進(jìn)一步通過具體圖形來加深對(duì)位移電流的理解。

圖2 微帶中信號(hào)導(dǎo)帶上的電流分布(10GHz)

圖3 微帶中信號(hào)導(dǎo)帶上的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布(10GHz)

為了更逼真地講解電磁波在微帶中的傳輸過程，還可以應(yīng)用HFSS的動(dòng)畫功能，演示電場(chǎng)、磁場(chǎng)隨電磁波傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)變化情況，給學(xué)生以深刻的感性畫面，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)與電磁波課程的興趣。

4 結(jié)語

HFSS應(yīng)用電磁場(chǎng)與電磁波課程輔助教學(xué)中，可以形象刻畫電磁場(chǎng)與電磁波的分布情況，動(dòng)態(tài)演示電磁場(chǎng)與電磁波的傳播過程。由此不僅可以彌補(bǔ)部分學(xué)校微波實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足[3]，大大改善課堂教學(xué)效果，激發(fā)課程學(xué)習(xí)興趣；還可以通過課堂演示該微波軟件的使用，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

[1]王薔,凌丹,洪興楠等.電磁場(chǎng)與微波通信教學(xué)實(shí)驗(yàn)新體系[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,(22)110-113.

[2]謝處方,饒克謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波[M].北京,高等教育出版社，2005

[3]莫蓓莘.規(guī)范教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心管理,追求卓越實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(11)96-98.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.144