淺談電磁仿真軟件在電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

高山山

摘要：本文介紹了電磁仿真軟件在電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中的重要性，并以微帶線為例，介紹了利用電磁仿真軟件對微帶線進(jìn)行仿真計算，加深對微帶線的理解。

關(guān)鍵詞：電磁仿真軟件;電磁場;微波技術(shù)

中圖分類號：TN015 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）25-0116-02

電磁場與微波技術(shù)這門課程是高等院校電子信息工程、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課程之一。該課程主要包括：矢量分析、靜態(tài)電磁場、時變電磁場、平面電磁波、傳輸線理論、微波傳輸線、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、常用微波元件、天線等知識[1]。該課程的一大顯著特點(diǎn)是與人們的日常生活聯(lián)系得非常緊密，它在通信、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景。因此，在對學(xué)生講授該課程時，可通過列舉實(shí)際生活中與之相關(guān)的例子，使學(xué)生對電磁場與微波技術(shù)的理論知識有更加深刻的認(rèn)識。正是由于該課程的實(shí)際應(yīng)用背景較強(qiáng)，對該課程的學(xué)習(xí)，除了要讓學(xué)生掌握電磁場與微波技術(shù)的基礎(chǔ)理論之外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)學(xué)生在該方面的實(shí)際應(yīng)用能力，而實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，則需要通過做一些實(shí)際的工程設(shè)計來實(shí)現(xiàn)。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，人們開始大量采用電磁仿真軟件來對微波元器件進(jìn)行設(shè)計和分析。電磁仿真軟件在設(shè)計微波元器件時具有較強(qiáng)的靈活性，在電磁仿真軟件中建立微波元器件的模型較方便，同時，還可采用變量來設(shè)置微波元器件的相關(guān)幾何參數(shù)，即在需要改變微波元器件的幾何尺寸時，無需再另外建模，只采用改變微波元器件幾何參數(shù)的變量即可實(shí)現(xiàn)。此外，在電磁仿真軟件中對材料屬性等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置也比較方便。在電磁場與微波技術(shù)的課堂教學(xué)中，也可以利用電磁仿真軟件來加強(qiáng)同學(xué)們對理論知識的理解，讓學(xué)生掌握電磁仿真軟件的基本用法，通過讓學(xué)生自己利用電磁仿真軟件對微波元器件進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計與分析，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

一、電磁仿真軟件的介紹

目前，在微波元器件的設(shè)計中應(yīng)用得比較多的電磁仿真軟件有HFSS、ADS、CST等。HFSS是一款基于有限元法的三維高頻電磁仿真軟件，其設(shè)計界面比較直觀，繪圖功能較強(qiáng)大，該軟件包括矩形、圓形、立方體、圓柱體等形狀的模型，而且可對模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、等操作，學(xué)生在采用該軟件進(jìn)行建模時比較方便，容易掌握其建模方法[2，3]。HFSS仿真軟件具有自適應(yīng)網(wǎng)格以及快速掃頻等特點(diǎn)，它適用于不均勻介質(zhì)以及一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的元器件的仿真計算。但是，該軟件在求解計算的時候需要對全空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對計算機(jī)的性能也提出了一定的要求。利用該軟件對微波元器件進(jìn)行仿真分析可以快速精確地得到微波元器件的S參數(shù)、端口特性阻抗、本征模等相關(guān)電磁參數(shù)。HFSS電磁仿真軟件適合于求解微波元器件、微帶無源電路、以及天線的輻射問題等。ADS仿真軟件功能強(qiáng)大，包含時域電路仿真、頻域電路仿真、三維電磁仿真等，它在射頻微波電路的設(shè)計方面得到了廣泛的應(yīng)用[4]。利用該軟件既可以進(jìn)行微波無源器件的設(shè)計與分析，還可以對微波有源器件進(jìn)行設(shè)計和分析。在電磁場與微波技術(shù)的教學(xué)中，當(dāng)講授到濾波器、功率分配器、耦合器等器件時，可以讓學(xué)生利用ADS軟件來進(jìn)行一些實(shí)例的設(shè)計與分析，既可以幫助學(xué)生對這些器件的工作原理有更加深入的認(rèn)識，又可以讓學(xué)生對實(shí)際的電路有一定的認(rèn)識。同時，還可以讓學(xué)生基于這些器件的工作原理做一定的創(chuàng)新性設(shè)計，設(shè)計出性能更加優(yōu)良的器件，并且采用ADS電磁仿真軟件進(jìn)行仿真計算，驗證相關(guān)結(jié)果的正確性。CST是一款三維電磁仿真軟件，它能夠提供無源微波器件和天線的仿真計算，通過該電磁仿真，可以得到S參數(shù)、天線方向圖等相關(guān)電磁參數(shù)[5]。該軟件的設(shè)計界面也比較直觀，繪圖功能較強(qiáng)大，學(xué)生在學(xué)習(xí)該軟件時較容易上手。

二、微帶線的電磁仿真

微帶線在微波元器件的設(shè)計中具有較為廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中灰色部分為金屬導(dǎo)體，上面是寬度為w的導(dǎo)體帶，下面為接地板;中間空白部分是厚度為h，相對介電常數(shù)為εr的介質(zhì)材料。以εr=9.6，h=0.8mm，w=0.79mm的介質(zhì)材料為例，利用電磁仿真軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計算，端口為50Ω，得到的S曲線如圖2所示。學(xué)生在利用電磁仿真軟件做該設(shè)計分析時，還可以改變w參數(shù)的值，去觀察相關(guān)特性的變化。當(dāng)把導(dǎo)體帶的寬度w變?yōu)?.2mm時，得到的S曲線如圖3所示。從圖3可以看出，此時S參數(shù)發(fā)生了變化。此外，還可以考慮加入介質(zhì)損耗角正切來進(jìn)行仿真分析，觀察相關(guān)特性的變化，若在w=0.79mm的情況下，加入介質(zhì)損耗角正切tanδ=0.2時，得到的S曲線如圖4所示。由以上仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)改變微帶線的相關(guān)參數(shù)時，其S曲線會發(fā)生相應(yīng)的變化。在教學(xué)中，可以讓學(xué)生利用電磁仿真軟件對微帶線做相關(guān)的仿真計算，并分析得到的結(jié)果，加深學(xué)生對微帶線電磁特性的理解。將電磁仿真軟件應(yīng)用于電磁場與微波技術(shù)的教學(xué)中，不僅可以幫助學(xué)生更好的掌握電磁場與微波技術(shù)的基礎(chǔ)理論，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李明洋，劉敏.HFSS電磁仿真設(shè)計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[3]李明洋.HFSS天線設(shè)計（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[4]馮新宇，寇曉靜.ADS射頻電路設(shè)計與仿真入門及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[5]金明濤.CST天線仿真與工程設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[6]周雪芳，錢勝.仿真軟件在《微波技術(shù)與天線》實(shí)驗中的應(yīng)用[J].實(shí)驗科學(xué)與技術(shù)，2013，11（3）.

[7]賈建科，聶翔，韓團(tuán)軍.微波技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)改革的探索[J].中國電力教育，2012，（05）.endprint