HFSS仿真在電磁場與電磁波教學(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

HFSS仿真在電磁場與電磁波教學(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)用實例。實踐證明，應(yīng)用HFSS虛擬仿真進行輔助教學(xué)，可以有效彌補實驗設(shè)備的不足，幫助學(xué)生理解電磁場與電磁波的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的電磁場理論學(xué)習(xí)熱情，提高其工程實踐能力。

電磁場與電磁波；輔助教學(xué)；傳輸線；HFSS

隨著航空航天、雷達、衛(wèi)星通信、移動通信和大規(guī)模高速集成電路等技術(shù)的迅速發(fā)展，電磁場與微波技術(shù)已成為電子信息領(lǐng)域發(fā)展的重點、熱點。作為該專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一[1]，電磁場與電磁波理論性強，涉及數(shù)學(xué)知識較多、較深。同時，電磁場與電磁波空間分布復(fù)雜，具有不可見和不可感知的特點。如果按照傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，必然面對大量繁冗復(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)計軟件之一。在電磁場與電磁波教學(xué)過程中引入HFSS虛擬仿真，通過HFSS設(shè)計模型、實例來講解電磁場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)計軟件，為今后的學(xué)習(xí)、工作積累工程經(jīng)驗，增強學(xué)生綜合素質(zhì)。

1 Ansoft HFSS 軟件應(yīng)用實例選擇

場理論是電磁理論的基礎(chǔ)，對于任何電磁問題都可以采用場理論的方法進行分析。而較容易被理解和接受的路理論則是場理論在直流或者低頻狀態(tài)下的近似。電磁場與電磁波的教學(xué)任務(wù)之一就是幫助學(xué)生建立場和波的思想，用場和路的思路來分析、理解電磁場與電磁波。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，用場和波的思想來研究電磁場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時，傳輸線及其周圍空間的電場和磁場將產(chǎn)生相應(yīng)變化。傳輸線上的電壓、電流變化與電場、磁場都遵守時變電磁場規(guī)律。當(dāng)傳輸線的物理長度與導(dǎo)波長相比很小時，可以采用分布參數(shù)電路理論，建立傳輸線元的電流、電壓電報方程來分析、求解[2]。在講授該部分內(nèi)容時，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、磁場和電流靜態(tài)分布和動態(tài)變化，取得了較好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)具體實施步驟

在教學(xué)過程中引入HFSS虛擬仿真，主要步驟如下：

(1)確定典型實例來求解實際電磁場與電磁波問題，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算及對計算結(jié)果的分析和研究；

(3)修改原有教學(xué)文件，增加電磁場與電磁波仿真實例，使原來看不見、摸不著的場用形象的電流線、電場線甚至傳播過程動態(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)生電磁場與電磁波方面的工程經(jīng)驗。

3 微帶傳輸線教學(xué)實例

講解傳輸線時，為了避免純理論的數(shù)學(xué)分析，筆者應(yīng)用HFSS軟件進行輔助教學(xué)。整個微帶建模、仿真過程比較簡單，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、電場和磁場分布，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、磁場分布與他們想象的是否一致，加深學(xué)生對傳輸線的認(rèn)識?？梢钥闯?，傳輸線工作于高頻時，電場、磁場波長均可與傳輸線長度相比較，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、磁場分布，可以回顧傳輸線中傳導(dǎo)電流是由信號導(dǎo)體與地之間介質(zhì)中的位移電流(電位移對時間的變化率)轉(zhuǎn)化而來的，進一步通過具體圖形來加深對位移電流的理解。

圖2 微帶中信號導(dǎo)帶上的電流分布(10GHz)

圖3 微帶中信號導(dǎo)帶上的電場、磁場分布(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的動畫功能，演示電場、磁場隨電磁波傳播時的動態(tài)變化情況，給學(xué)生以深刻的感性畫面，從而進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場與電磁波課程的興趣。

4 結(jié)語

HFSS應(yīng)用電磁場與電磁波課程輔助教學(xué)中，可以形象刻畫電磁場與電磁波的分布情況，動態(tài)演示電磁場與電磁波的傳播過程。由此不僅可以彌補部分學(xué)校微波實驗設(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，增強學(xué)生的工程實踐經(jīng)驗，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

[1]王薔,凌丹,洪興楠等.電磁場與微波通信教學(xué)實驗新體系[J].實驗技術(shù)與管理,2005,(22)110-113.

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

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

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.144