Comsol仿真軟件在“電磁兼容”課程實驗中的應(yīng)用

白潔　陳玉　孔忻

[摘 要] 隨著電子產(chǎn)品中的電磁兼容問題越來越受到關(guān)注，“電磁兼容”理論已成為電氣技術(shù)人員必備的專業(yè)基礎(chǔ)知識，也是測控專業(yè)的學(xué)生不可或缺的能力之一。針對“電磁兼容”理論中概念抽象、公式多、學(xué)生理解困難等問題，通過優(yōu)化實驗內(nèi)容，采取基于問題需求牽引式、互動式的教學(xué)方式，將Comsol仿真軟件引入學(xué)生的實驗中去。以“飛機(jī)天線串?dāng)_電磁兼容仿真實驗”設(shè)計為例，說明將仿真軟件用于電磁兼容課程實驗的全過程。結(jié)果表明，該實驗方式從多角度綜合考慮了電磁兼容性的問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生的理論知識，以及分析問題、解決問題的能力。

[關(guān)鍵詞] 電磁兼容;Comsol仿真軟件;飛機(jī)天線串?dāng)_學(xué)生

[基金項目] 2020年度西安交通大學(xué)教學(xué)改革研究與實踐項目“測控技術(shù)與儀器專業(yè)（電）培養(yǎng)新模式——以項目為牽引，增強(qiáng)感性認(rèn)識，培養(yǎng)系統(tǒng)觀念，提高創(chuàng)新與項目管理能力”（2020-36）

[作者簡介] 白 潔（1968—），女，陜西西安人，碩士，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院高級工程師，主要從事智能儀器和虛擬儀器技術(shù)等研究;陳 玉（1977—），男，陜西西安人，博士，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，主要從事電力設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)和特殊環(huán)境下的測試技術(shù)等研究;孔 忻（1965—），男，陜西西安人，學(xué)士，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院工程師，主要從事傳感器儀器和虛擬儀器技術(shù)等研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0145-04 [收稿日期] 2021-08-17

引言

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平的迅速發(fā)展，電氣、電子設(shè)備的日益廣泛應(yīng)用，電磁干擾已成為不可忽視的問題之一，其輕則導(dǎo)致電器產(chǎn)品性能下降，重則造成嚴(yán)重事故，損失無法估量?，F(xiàn)在國際、國內(nèi)廣泛實施的電磁兼容（EMC）標(biāo)準(zhǔn)對電氣和電子產(chǎn)品的電磁兼容性提出了強(qiáng)制性要求，因此電磁兼容理論既是電氣技術(shù)人員必備的專業(yè)基礎(chǔ)知識，也是測控專業(yè)的學(xué)生不可或缺的能力之一。它通過對電磁干擾源、干擾信號的耦合機(jī)理和受擾設(shè)備的敏感機(jī)理分析，使學(xué)生掌握了EMC的基本設(shè)計方法[1]，但該課程內(nèi)容抽象龐雜、工程實踐性強(qiáng)和知識更新快，教師講授難度大，學(xué)生理解也困難，因此實驗是學(xué)生理解理論知識的最有效手段，但電磁兼容實驗設(shè)備比較昂貴，特別是在復(fù)雜環(huán)境下的電磁兼容實驗成本更高，調(diào)試難度更大，實操存在一定的危險性。如果采用仿真實驗的形式，虛實結(jié)合，模擬實驗環(huán)境和實驗對象，可以將抽象的理論以圖文并茂的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，方便學(xué)生理解。Comsol是一款功能強(qiáng)大的多物理場仿真軟件，用于仿真模擬工程、制造和科研等各個領(lǐng)域的設(shè)計、設(shè)備及過程，輕松實現(xiàn)建模流程的各個環(huán)節(jié)，可用來分析電磁學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、聲學(xué)、流體流動、傳熱和化工等眾多領(lǐng)域的實際工程問題[2]。它資源豐富，建模方便，學(xué)生容易上手。

在面向新工科的未來工程教育培養(yǎng)理念下，強(qiáng)調(diào)面向復(fù)雜工程問題的實踐能力培養(yǎng)，在教學(xué)過程中融入一些科研項目中的案例，采用以問題為導(dǎo)向的自主式和探究式教學(xué)法，調(diào)動學(xué)生參與實驗的積極性。因此，我們在“電磁兼容”課程的實驗中引進(jìn)了Comsol仿真軟件，引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計仿真實驗，還原課堂教學(xué)的理論知識，加深理解，既調(diào)動了學(xué)生參與設(shè)計實驗的興趣，又提升了學(xué)生的工程能力和工程素質(zhì)。

一、實驗教學(xué)改革的目標(biāo)及設(shè)計思路

通過學(xué)生自主設(shè)計“電磁兼容”課程的仿真實驗，更好地理解電磁兼容理論的相關(guān)知識，掌握電磁兼容的基本設(shè)計方法，能夠舉一反三、學(xué)以致用，初步培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)和工作打下一定的基礎(chǔ)。

“電磁兼容”課程公式多、概念抽象，學(xué)生不容易理解。學(xué)生有畏難情緒，學(xué)習(xí)興趣不高，阻礙了學(xué)習(xí)的積極性，所以我們采取主動和被動雙管齊下的方式，鼓勵學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)。主動是指結(jié)合當(dāng)前的熱點問題選取學(xué)生感興趣的內(nèi)容，設(shè)計仿真實驗，激發(fā)學(xué)生探索未知問題的積極性，同時優(yōu)化實驗方法，采用基于問題的需求牽引式教學(xué)方法，讓學(xué)生以解決問題的心態(tài)完成實驗內(nèi)容。被動是指采用實驗設(shè)計過程考核的方式督促學(xué)生認(rèn)真思考，努力解決問題，獲得好的成績。

（一）將抽象的理論形象化，精心設(shè)計學(xué)生感興趣的實驗

“電磁兼容”課程理論抽象，不容易理解，因此我們在設(shè)計實驗時就要想辦法將學(xué)生不易掌握的抽象理論轉(zhuǎn)化為形象化和具體化的事物。那應(yīng)該選擇哪些仿真實驗?zāi)?？通過對學(xué)生的問卷調(diào)查和教師在講課過程中學(xué)生的反饋，我們認(rèn)為設(shè)計的仿真實驗應(yīng)具有工程實踐背景、學(xué)生感興趣、可操作性強(qiáng)等特點。在教學(xué)過程中融入一些科研項目中的案例[3]，比如：在講解“天線布局原則、隔離度的概念以及干擾分析”這個概念時，選用了學(xué)生感興趣的飛機(jī)上天線串?dāng)_的問題，利用仿真實驗的形式，引導(dǎo)學(xué)生自己建模，設(shè)計相關(guān)參數(shù)，比較天線在不同位置上的串?dāng)_，通過定量分析，使抽象的電磁場形象化。同時，學(xué)生學(xué)習(xí)了軟件建模方法，對今后走向工作崗位大有益處。

（二）優(yōu)化實驗教學(xué)方法，采取基于問題的需求牽引式、互動式教學(xué)方法

實驗以問題引出，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題進(jìn)行有目的的仿真分析，自主構(gòu)建模型，計算相關(guān)參數(shù)，判斷其是否符合要求，能否解決問題，以達(dá)到模型的最優(yōu)化。該方法具有開放性和拓展性的優(yōu)點，學(xué)生可根據(jù)自己的意愿和能力不斷探索，深入研究不同參數(shù)對建模結(jié)果的影響，提高解決問題的能力及創(chuàng)新思維的能力。在實驗過程中，教師可與學(xué)生進(jìn)行討論，掌握選擇最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的實驗方案，更準(zhǔn)確地模擬工業(yè)現(xiàn)場的需求。

（三）采取層層推進(jìn)的考核方法，督促學(xué)生完成實驗內(nèi)容

把整個實驗內(nèi)容分為幾個部分，各個部分內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，逐步推進(jìn)，促使學(xué)生要不斷解決問題，才能完成整個實驗。

二、實驗改革內(nèi)容和實施路徑

（一）實驗改革內(nèi)容

我們精心設(shè)計了一批仿真實驗，學(xué)生可在其中選兩項來完成，下面我們以“飛機(jī)天線串?dāng)_電磁兼容仿真實驗”為例，說明仿真實驗的具體實施方法和步驟。該實驗主要是為了學(xué)生理解知識點“天線布局原則、隔離度的概念以及干擾分析”的內(nèi)容而設(shè)計的?！帮w機(jī)天線”對學(xué)生來說既是陌生的又是感興趣的話題，因為有興趣，學(xué)生愿意進(jìn)一步學(xué)習(xí)，這可以加深學(xué)生對概念的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

機(jī)載天線的電磁兼容性分析比較復(fù)雜，需要綜合考慮。通過對機(jī)載天線的分析，它應(yīng)具有這樣的特點：一是飛機(jī)機(jī)身上分布著大量的天線，工作頻段相互重疊，這就導(dǎo)致的發(fā)射天線和接收天線之間的串?dāng)_問題，并尤為突出;二是飛機(jī)機(jī)身有限，上面安裝著大量的電子設(shè)備，這也造成了相互的干擾[4];三是在飛機(jī)機(jī)身上不允許做過多的破壞性實驗，因此在設(shè)計飛機(jī)的電子設(shè)備之前，必須對其電磁兼容性進(jìn)行仿真分析，確定最優(yōu)化參數(shù)。學(xué)生也可以通過這樣的學(xué)習(xí)對“天線布局原則、隔離度計算”有深刻的理解和掌握。

（二）實驗教學(xué)方法

本項目將問題驅(qū)動、自主設(shè)計式和探究式等教學(xué)方法相融合，實施方法如圖1所示。

在“機(jī)載天線串?dāng)_”的實驗中，首先向?qū)W生提出“天線安裝在什么位置上合適”的問題，帶著這個問題，學(xué)生就會考慮如何判斷天線的位置是否合適，這就需要從原理出發(fā)，掌握“天線方向圖及隔離度的計算方法”。下一步學(xué)生就要進(jìn)行自主設(shè)計，對飛機(jī)和天線建模采用探究式的學(xué)習(xí)方法，分析天線安裝位置對天線的串?dāng)_，從而判斷出天線的最佳安裝位置，加深對課堂學(xué)到的“天線布局原則、隔離度的概念以及干擾分析”等知識的理解和掌握，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，提升實驗教學(xué)效果。該實驗內(nèi)容既可向深度和廣度進(jìn)行擴(kuò)展，也可作為學(xué)生的創(chuàng)新實驗，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

（三）實施步驟

在仿真實驗中，首先設(shè)計飛機(jī)和天線的數(shù)學(xué)模型，再考慮將天線分別安排在機(jī)身和尾翼的不同位置時天線間的相互影響。學(xué)生可自行設(shè)計，計算隔離度，探究天線安排的原則和方法。

1.仿真問題描述。飛機(jī)上天線串?dāng)_是一個比較復(fù)雜的問題，涉及的概念和原理也比較多，為了便于學(xué)生理解，首先將問題簡化，具體描述為飛機(jī)需要安裝兩根天線，一根為發(fā)射天線，安置在飛機(jī)機(jī)身上面，要求學(xué)生確定接收天線是否安裝的合適，如果位置不合理，就會導(dǎo)致發(fā)射天線和接收天線間的串?dāng)_。假定機(jī)身頂部有一根發(fā)射天線，另一根接收天線位于機(jī)身底部的位置，將其位置從后側(cè)移到前側(cè)，分析干擾量的大小，如圖2所示，YZ平面上以分貝為單位的電場模。

2.關(guān)鍵參數(shù)分析。天線在不同位置時的相互干擾量可以根據(jù)隔離度S這個參數(shù)來定量描述;S表示發(fā)射天線對接收天線的影響，數(shù)值越大越好;S表示接收天線對發(fā)射天線的影響，數(shù)值越小越好。

3.設(shè)計步驟。Comsol仿真軟件中的示例豐富、講解詳細(xì)，學(xué)生首先花4個學(xué)時進(jìn)行Comsol軟件平臺的學(xué)習(xí)，了解該平臺的使用方法和設(shè)計流程。其次在其例程庫中找到“飛機(jī)機(jī)身上的天線串?dāng)_仿真”示例，修改相關(guān)參數(shù)，計算獲得仿真結(jié)果。Comsol設(shè)計流程包括：（1）搭建環(huán)境：選擇合適的幾何環(huán)境，搭建飛機(jī)模型;（2）物理場選擇：電抗近場和輻射遠(yuǎn)場;（3）幾何模型的材料選擇;（4）仿真與結(jié)果。最后進(jìn)行計算，得到仿真結(jié)果，可根據(jù)需求繪制不同的圖，方便觀察。如圖3所示，天線在不同位置時干擾量S11和S21的值。

當(dāng)接收天線位于機(jī)身的不同位置時，通過S和S的數(shù)值看出，S數(shù)值很接近，說明接收天線的三種放置位置對發(fā)射天線影響不大;S數(shù)值略有不同，當(dāng)接收天線位于機(jī)尾即機(jī)身后側(cè)時，S值最大，其對發(fā)射天線的串?dāng)_影響最小，綜合S和S的數(shù)值得出，接收天線安裝在機(jī)尾位置最優(yōu)。

結(jié)語

以“機(jī)載天線間的串?dāng)_”為實踐背景，采取基于問題的需求牽引式、互動式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)設(shè)計仿真實驗，探索各參數(shù)之間的相互影響，進(jìn)行電磁輻射的結(jié)構(gòu)設(shè)計和定量計算，可快速、直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計的缺陷，調(diào)整參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化模型，多角度提高學(xué)生對電磁環(huán)境的認(rèn)知，逐步培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計與研發(fā)能力，加強(qiáng)對學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]雷紹蘭，劉述喜，楊佳，等.“電磁兼容理論”教學(xué)改革探索與實踐[J].中國電力教育，2010（6）：118-119.

[2]高若堯.柔性熱釋電-壓電傳感器結(jié)構(gòu)仿真及信號調(diào)理電路設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

[3]沈瑤，趙彥珍，高昕悅，等.節(jié)點電壓法的編程實現(xiàn)及其拓展應(yīng)用教學(xué)設(shè)計與實施[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2020，18（6）：107-112.

[4]李東超.機(jī)載天線的電磁兼容性分析[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

Application of Comsol Simulation Software in the Course Experiment of

Electromagnetic Compatibility

BAI Jie， CHEN Yu， KONG Xin

（School of Electrical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an， Shaanxi 710049， China）

Abstract： With the increasing attention to the problem of electromagnetic compatibility in electronic products， Electromagnetic Compatibility theory has become a necessary professional basic knowledge for electrical technicians， and it is also one of the indispensable abilities of students majoring in measurement and control. Aiming at the problems of abstract concepts， many formulas and difficult understanding of students in the Electromagnetic Compatibility theory， COMSOL simulation software is introduced into students’ experiments by optimizing the experimental content and adopting the traction and interactive teaching method based on problem needs. Taking the design of “aircraft antenna crosstalk electromagnetic compatibility simulation experiment” as an example， this paper explains the whole process of applying the simulation software to the course experiment of Electromagnetic Compatibility. The results show that the experimental method comprehensively considers the problem of electromagnetic compatibility from multiple angles， which is conducive to training students’ theoretical knowledge and the ability to analyze and solve problems.

Key words： Electromagnetic Compatibility; Comsol simulation software; aircraft antenna crosstalk