電子仿真技術在電磁理論教學中的作用及實踐

周喜權　惠鵬飛

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

【關鍵詞】電子仿真；金屬波導；畸變；電磁場

隨著計算機技術的快速發展，通過借助計算機可以解決以往不能解決的眾多理論與實踐問題，并通過計算機推動了科學技術的快速發展。宏觀電磁理論是抽象而復雜，它是以麥克斯韋方程為核心，簡單規則問題通過解析解求得，而分析復雜電磁問題只能通過數值技術加以解決，而數值技術只能依賴計算機來輔助完成，所以計算機仿真與分析是解決復雜電磁問題唯一方法。在電磁理論教學中應用電子仿真是現代教學必須充分考慮的問題，本人多年通過引入電子仿真技術教學來引導學生學習電磁理論，并得到以下幾點體會：

一、電子仿真技術在電磁理論教學中的作用

（1）電子仿真技術是現代科技發展的必要手段，現代的科技成果無不是電子仿真技術在發揮作用，如大型飛機的機電控制系統，內有無數電子元件在電磁場下工作，設計和分析電磁運動規律都是通過電子仿真技術來完成。掌握電子仿真技術是從事電子設計和研究工作者必備的素質之一，當然也是教學研究的需要。

（2）電磁理論是學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。掌握電磁運動規律依靠傳統教學是很難進行的，以往教師通過口述和板書引導來傳輸知識，對于比較抽象的理論，無論采取何種語音表達也難以說明清楚，這種教學弊端顯現越來越突出。通過多媒體輔助教學，引入電子仿真技術就可將復雜問題通過靜態或動態的畫面形象生動展現出來，加速學生對知識的理解，提高教學效果。

（3）電子輔助教學要同傳統教學有機結合才能發揮作用，要設計好教學中的各個環節，將需要展示的電磁場仿真過程通過多媒體展示給學生，突出典型規律，將仿真現象和理論緊密結合在一起，充分驗證理論的指導作用，同時也說明仿真在設計和分析中作用。

二、在電磁理論教學中的仿真實踐過程

下面通過教學中比較典型的電磁規律展示仿真教學在課程教學中的作用。

（1）金屬波導中電磁波傳播過程分析

波導中電磁波與自由空間中傳輸不同，傳輸的是TE或TM波，其波型中電磁場分布也隨不同模式而不同，根據波導傳輸條件，當波導內可以傳輸電磁波，λ<λcmn，如圖1為當λc₂₀<λ<λc₁₀。時T型波導內部電磁波主模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內傳輸。

當λ<λc₂₀。時波導內開始出現多模工作方式，電磁分布如圖3和4。可見波導內有多種模式在疊加傳輸，形成復雜電磁分布，與圖1和2的單一模式不同，這種傳輸特點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特優勢，當然也可以通過仿真軟件動畫模擬更能看出波導內實時電磁傳輸過程的細節。

三、微波信號傳輸完整性分析

信號完整性是指電路系統中信號不失真地從源端傳到接收端，并不對其它信號產生干擾。保證微波信號完整傳輸需要復雜設計，在現代印刷電路版和集成電路設計制造領域，微波信號完整性傳輸已經成為一個關鍵技術的瓶頸。主要表現是對時序的影響、信號振鈴、信號反射、近端串擾、遠端串擾、開關噪聲、非單調性、地彈、電源反彈、衰減、容性負載、電磁輻射和電磁干擾等。下面對信號串擾和信號傳輸畸變進行電子仿真分析。

（1）微波傳輸線串擾分析

如圖5為微波帶狀線，兩條傳輸線在同一介質中，由于微波信號是在傳輸線的引導下傳輸電磁波，如果兩條傳輸線相距很近就會互相產生電磁耦合現象，使傳輸線上的信號互相串擾，越近越嚴重，如圖6就是仿真結果，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計時要充分考慮傳輸線間的距離，在保證信息完整性下設計布線。

（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，當微波信號通過此電路時，微波信號會因為傳輸路徑的變化使信息產生畸變，導致有些頻率信息出現反射或衰減，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

天線設計是一個復雜的電磁場的設計和分析過程，各種天線設計都涉及到遠場方向圖分布，通過電磁仿真可以直觀看到天線遠場分布狀態，從而快速有效設計各種天線。如圖11為微帶天線設計模型，通過電磁仿真可以得到遠場分布方向圖12，以及各平面方向上的平面方向圖13，同時通過調整天線參數和優化過程得到理想天線。

通過電磁場教學中引入電磁仿真過程，實現了將傳統教學與現代仿真技術的結合，大大提升了課堂教學效率和效果，使理論教學與計算機技術得到充分融合，對促進課程教育體制改革將有很大益處。