趙爽

摘 要：電磁場與電磁波是電子信息與通信專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是微波與天線的基礎(chǔ)，但課程本身比較抽象，是一門比較難學(xué)的課程。開設(shè)電磁場與電磁波的實(shí)驗(yàn)課，可以使學(xué)生對(duì)電場和磁場有個(gè)更加形象的理解。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以利用HFSS軟件，建立3D仿真模型，將電場和磁場的分布特性在仿真模型中形象地表現(xiàn)出來，使同學(xué)們加深對(duì)電磁場的理解，增強(qiáng)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn) 電磁場 電磁波

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（c）-0186-01

電磁場與電磁波是電子信息與通信專業(yè)的學(xué)生來說，是一門重要的基礎(chǔ)課程。它是射頻微波電路、天線、電源等研究方向的基礎(chǔ)。但由于其解法涉及到較多的數(shù)學(xué)知識(shí)，數(shù)值解法十分復(fù)雜，并且概念比較抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)中，很難有形象的理解。HFSS High Frequency Structure Simulator是Ansoft公司推出的三維電磁場仿真軟件，在軟件中，可以構(gòu)建所需要的電磁仿真模型，應(yīng)用其仿真，可以清楚看到電場與磁場的分布，并且可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，使學(xué)生對(duì)課程中的概念有更深入的理解。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

通過HFSS軟件建立仿真模型，可以計(jì)算：（1）仿真模型網(wǎng)絡(luò)端口的特征阻抗和傳輸常數(shù)；（2）天線的遠(yuǎn)場和近場輻射問題和空間的電磁場分布；（3）模型的S參數(shù)；（4）諧振模型的本征模或諧振解。由于其強(qiáng)大的3D建模功能，以及仿真系統(tǒng)設(shè)置的靈活性，不同的電磁場實(shí)驗(yàn)，只要建立不同的仿真模型就可以了。下面簡述一下HFSS在電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)中的具體的應(yīng)用。

如圖1所示，是一個(gè)E面金屬膜片波導(dǎo)濾波器的HFSS仿真模型，它的工作頻率較高，濾波性能好，加工一致性好。但它的測試設(shè)備十分昂貴，不適合學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)物實(shí)驗(yàn)。

如圖3所示，由于測試波導(dǎo)濾波的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩端電纜衰減約為1.5 dB，此波導(dǎo)濾波器的實(shí)際衰減小于1 dB，與仿真結(jié)果十分相似。天線的測試需要微波暗室，在學(xué)校內(nèi)，很難實(shí)現(xiàn)天線的測試條件。采用HFSS軟件，還可以很方便的仿真出天線的遠(yuǎn)場和近場方向圖，讓學(xué)生對(duì)其有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)。圖4所示的是一個(gè)微帶陣列天線的仿真模型。

2 結(jié)語

該文主要針對(duì)在電磁場實(shí)驗(yàn)課程中，實(shí)驗(yàn)器材昂貴，實(shí)驗(yàn)效果一般等問題，提出采用HFSS軟件，進(jìn)行虛擬仿真。HFSS與一般的數(shù)學(xué)計(jì)算類軟件不同，它的可以對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行3D建模，將電磁場與電磁波中的微分方程求解轉(zhuǎn)化為圖形形式的電磁場分布，加深學(xué)生對(duì)磁場與電場的分布的理解。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃建，甘體國.波導(dǎo)E面金屬膜片濾波器的分析[J].微波學(xué)報(bào)，1999，15（3）：257-261.

[2] 張鈞，劉克誠，張賢鐸，等.微帶天線理論與工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，1988.

[3] 張鵬飛，龔書喜，徐云學(xué)，等.大型陣列天線輻射的近似分析[J].微波學(xué)報(bào)，2009，25（1）：46-50.

[4] 謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場與電磁波[M].3版.北京：高等教育出版社，1999.