電子仿真技術(shù)在電磁理論教學(xué)中的作用及實(shí)踐

周喜權(quán)　惠鵬飛

【摘要】本文通過在電磁理論教學(xué)中引入電子仿真技術(shù)，說明了電子仿真在電磁理論教學(xué)中的作用。同時也具體通過高頻仿真軟件HFSS構(gòu)建了幾種典型電磁理論模型，并進(jìn)行了詳細(xì)仿真分析過程，充分展示了電子仿真在電磁理論教學(xué)中的作用，對于電磁理論課程教學(xué)改革將有啟迪作用。

【關(guān)鍵詞】電子仿真；金屬波導(dǎo)；畸變；電磁場

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，通過借助計(jì)算機(jī)可以解決以往不能解決的眾多理論與實(shí)踐問題，并通過計(jì)算機(jī)推動了科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。宏觀電磁理論是抽象而復(fù)雜，它是以麥克斯韋方程為核心，簡單規(guī)則問題通過解析解求得，而分析復(fù)雜電磁問題只能通過數(shù)值技術(shù)加以解決，而數(shù)值技術(shù)只能依賴計(jì)算機(jī)來輔助完成，所以計(jì)算機(jī)仿真與分析是解決復(fù)雜電磁問題唯一方法。在電磁理論教學(xué)中應(yīng)用電子仿真是現(xiàn)代教學(xué)必須充分考慮的問題，本人多年通過引入電子仿真技術(shù)教學(xué)來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁理論，并得到以下幾點(diǎn)體會：

一、電子仿真技術(shù)在電磁理論教學(xué)中的作用

（1）電子仿真技術(shù)是現(xiàn)代科技發(fā)展的必要手段，現(xiàn)代的科技成果無不是電子仿真技術(shù)在發(fā)揮作用，如大型飛機(jī)的機(jī)電控制系統(tǒng)，內(nèi)有無數(shù)電子元件在電磁場下工作，設(shè)計(jì)和分析電磁運(yùn)動規(guī)律都是通過電子仿真技術(shù)來完成。掌握電子仿真技術(shù)是從事電子設(shè)計(jì)和研究工作者必備的素質(zhì)之一，當(dāng)然也是教學(xué)研究的需要。

（2）電磁理論是學(xué)科中比較抽象的理論，電磁場看不見摸不著，但確存在生活各個方面。掌握電磁運(yùn)動規(guī)律依靠傳統(tǒng)教學(xué)是很難進(jìn)行的，以往教師通過口述和板書引導(dǎo)來傳輸知識，對于比較抽象的理論，無論采取何種語音表達(dá)也難以說明清楚，這種教學(xué)弊端顯現(xiàn)越來越突出。通過多媒體輔助教學(xué)，引入電子仿真技術(shù)就可將復(fù)雜問題通過靜態(tài)或動態(tài)的畫面形象生動展現(xiàn)出來，加速學(xué)生對知識的理解，提高教學(xué)效果。

（3）電子輔助教學(xué)要同傳統(tǒng)教學(xué)有機(jī)結(jié)合才能發(fā)揮作用，要設(shè)計(jì)好教學(xué)中的各個環(huán)節(jié)，將需要展示的電磁場仿真過程通過多媒體展示給學(xué)生，突出典型規(guī)律，將仿真現(xiàn)象和理論緊密結(jié)合在一起，充分驗(yàn)證理論的指導(dǎo)作用，同時也說明仿真在設(shè)計(jì)和分析中作用。

二、在電磁理論教學(xué)中的仿真實(shí)踐過程

下面通過教學(xué)中比較典型的電磁規(guī)律展示仿真教學(xué)在課程教學(xué)中的作用。

（1）金屬波導(dǎo)中電磁波傳播過程分析

波導(dǎo)中電磁波與自由空間中傳輸不同，傳輸?shù)氖荰E或TM波，其波型中電磁場分布也隨不同模式而不同，根據(jù)波導(dǎo)傳輸條件，當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)可以傳輸電磁波，λ<λcmn，如圖1為當(dāng)λc₂₀<λ<λc₁₀。時T型波導(dǎo)內(nèi)部電磁波主模TE₁₀傳播仿真分布，圖2為電場與磁場的電力線分布，是單一模式和單一圖樣在波導(dǎo)內(nèi)傳輸。

當(dāng)λ<λc₂₀。時波導(dǎo)內(nèi)開始出現(xiàn)多模工作方式，電磁分布如圖3和4。可見波導(dǎo)內(nèi)有多種模式在疊加傳輸，形成復(fù)雜電磁分布，與圖1和2的單一模式不同，這種傳輸特點(diǎn)只有借助電磁仿真軟件才可以展示出來，這就是電磁仿真的獨(dú)特優(yōu)勢，當(dāng)然也可以通過仿真軟件動畫模擬更能看出波導(dǎo)內(nèi)實(shí)時電磁傳輸過程的細(xì)節(jié)。

三、微波信號傳輸完整性分析

信號完整性是指電路系統(tǒng)中信號不失真地從源端傳到接收端，并不對其它信號產(chǎn)生干擾。保證微波信號完整傳輸需要復(fù)雜設(shè)計(jì)，在現(xiàn)代印刷電路版和集成電路設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，微波信號完整性傳輸已經(jīng)成為一個關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸。主要表現(xiàn)是對時序的影響、信號振鈴、信號反射、近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_、開關(guān)噪聲、非單調(diào)性、地彈、電源反彈、衰減、容性負(fù)載、電磁輻射和電磁干擾等。下面對信號串?dāng)_和信號傳輸畸變進(jìn)行電子仿真分析。

（1）微波傳輸線串?dāng)_分析

如圖5為微波帶狀線，兩條傳輸線在同一介質(zhì)中，由于微波信號是在傳輸線的引導(dǎo)下傳輸電磁波，如果兩條傳輸線相距很近就會互相產(chǎn)生電磁耦合現(xiàn)象，使傳輸線上的信號互相串?dāng)_，越近越嚴(yán)重，如圖6就是仿真結(jié)果，可以直觀看到兩條傳輸線電磁耦合的程度，較近時兩條傳輸線上電磁場相互交織，耦合嚴(yán)重，每條傳輸線上的信息傳輸完整性被破壞。所以微波傳輸線在布線設(shè)計(jì)時要充分考慮傳輸線間的距離，在保證信息完整性下設(shè)計(jì)布線。

（2）微波傳輸線畸變分析

如圖8為傳輸線通過電路板過孔時的電路模型，當(dāng)微波信號通過此電路時，微波信號會因?yàn)閭鬏斅窂降淖兓剐畔a(chǎn)生畸變，導(dǎo)致有些頻率信息出現(xiàn)反射或衰減，同樣也是信息完整性被破壞，通過電磁仿真可以直觀看到微波信號衰落過程，如圖是仿真得到的結(jié)果，圖9為板上電磁場分布情況，可以看到有些頻率已被衰減。圖10為

各頻率通過過孔后頻率變化情況，可見信息中個別頻率被衰減，其它頻率衰減很小，基本通過傳輸線。

四、天線電磁場輻射分布分析

天線設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜的電磁場的設(shè)計(jì)和分析過程，各種天線設(shè)計(jì)都涉及到遠(yuǎn)場方向圖分布，通過電磁仿真可以直觀看到天線遠(yuǎn)場分布狀態(tài)，從而快速有效設(shè)計(jì)各種天線。如圖11為微帶天線設(shè)計(jì)模型，通過電磁仿真可以得到遠(yuǎn)場分布方向圖12，以及各平面方向上的平面方向圖13，同時通過調(diào)整天線參數(shù)和優(yōu)化過程得到理想天線。

通過電磁場教學(xué)中引入電磁仿真過程，實(shí)現(xiàn)了將傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代仿真技術(shù)的結(jié)合，大大提升了課堂教學(xué)效率和效果，使理論教學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)得到充分融合，對促進(jìn)課程教育體制改革將有很大益處。