HFSS仿真在電磁場與電磁波教學中的應用

黃健全 蔣純志 譚喬來

湘南學院 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中的應用

黃健全 蔣純志 譚喬來

湘南學院 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領域中最為重要的專業基礎課程之一。文章介紹了在電磁場與電磁波課程教學中引入HFSS仿真的意義，給出了傳輸線教學的應用實例。實踐證明，應用HFSS虛擬仿真進行輔助教學，可以有效彌補實驗設備的不足，幫助學生理解電磁場與電磁波的本質，激發學生的電磁場理論學習熱情，提高其工程實踐能力。

電磁場與電磁波；輔助教學；傳輸線；HFSS

隨著航空航天、雷達、衛星通信、移動通信和大規模高速集成電路等技術的迅速發展，電磁場與微波技術已成為電子信息領域發展的重點、熱點。作為該專業最重要的基礎課程之一[1]，電磁場與電磁波理論性強，涉及數學知識較多、較深。同時，電磁場與電磁波空間分布復雜，具有不可見和不可感知的特點。如果按照傳統的課堂教學方式，必然面對大量繁冗復雜的數學推導，難以得到直觀的三維電磁場分布圖形，這種枯燥的教學方法不夠直觀，無法激發學生的學習興趣，教學效果往往差強人意。

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，是當今最為流行的微波/射頻工程設計軟件之一。在電磁場與電磁波教學過程中引入HFSS虛擬仿真，通過HFSS設計模型、實例來講解電磁場與電磁波的空間分布與傳播。一方面可以幫助學生深刻理解教材的有關概念、理論；另一方面，讓學生提前接觸、使用微波設計軟件，為今后的學習、工作積累工程經驗，增強學生綜合素質。

1 Ansoft HFSS 軟件應用實例選擇

場理論是電磁理論的基礎，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下的近似。電磁場與電磁波的教學任務之一就是幫助學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。如傳輸線相關的教學，要使學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中的重要組成部分，既是導引電磁場傳播的媒質，也是構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生相應變化。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律。當傳輸線的物理長度與導波長相比很小時，可以采用分布參數電路理論，建立傳輸線元的電流、電壓電報方程來分析、求解[2]。在講授該部分內容時，發現純理論的數學分析帶給學生的只是一種抽象模型，無法與具體的傳輸線聯系起來，難以理解傳播相速、阻抗等參數的含義，更談不上傳輸線上電磁場的分布。為了給學生以更具體、形象的講解，筆者應用HFSS建立微帶傳輸線模型，并分別用演示了傳輸線中電場、磁場和電流靜態分布和動態變化，取得了較好的教學效果。

2 教學具體實施步驟

在教學過程中引入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果的分析和研究；

(3)修改原有教學文件，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演示出來；

(4)教學過程中，復雜模型可以課前建好，簡單模型則可以課堂完成，從而增加教學信息量，提高學生電磁場與電磁波方面的工程經驗。

3 微帶傳輸線教學實例

講解傳輸線時，為了避免純理論的數學分析，筆者應用HFSS軟件進行輔助教學。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。通過設問，讓學生比較圖2的電流和圖3的電場、磁場分布與他們想象的是否一致，加深學生對傳輸線的認識。可以看出，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建立微分模型，其本質還是高頻場理論在微結構中用路理論來等效[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電流是由信號導體與地之間介質中的位移電流(電位移對時間的變化率)轉化而來的，進一步通過具體圖形來加深對位移電流的理解。

圖2 微帶中信號導帶上的電流分布(10GHz)

圖3 微帶中信號導帶上的電場、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，還可以應用HFSS的動畫功能，演示電場、磁場隨電磁波傳播時的動態變化情況，給學生以深刻的感性畫面，從而進一步激發學生學習電磁場與電磁波課程的興趣。

4 結語

HFSS應用電磁場與電磁波課程輔助教學中，可以形象刻畫電磁場與電磁波的分布情況，動態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校微波實驗設備的不足[3]，大大改善課堂教學效果，激發課程學習興趣；還可以通過課堂演示該微波軟件的使用，增強學生的工程實踐經驗，提高學生的綜合素質。

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

[2]謝處方,饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京,高等教育出版社，2005

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

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.144