基于HFSS的電磁場與電磁波教學虛擬實驗研究

趙爽

摘 要：電磁場與電磁波是電子信息與通信專業的基礎課程，也是微波與天線的基礎，但課程本身比較抽象，是一門比較難學的課程。開設電磁場與電磁波的實驗課，可以使學生對電場和磁場有個更加形象的理解。在實驗教學中，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出來，使同學們加深對電磁場的理解，增強教學效果。

關鍵詞：虛擬實驗 電磁場 電磁波

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（c）-0186-01

電磁場與電磁波是電子信息與通信專業的學生來說，是一門重要的基礎課程。它是射頻微波電路、天線、電源等研究方向的基礎。但由于其解法涉及到較多的數學知識，數值解法十分復雜，并且概念比較抽象，學生在學習中，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，可以構建所需要的電磁仿真模型，應用其仿真，可以清楚看到電場與磁場的分布，并且可以進行動態仿真，使學生對課程中的概念有更深入的理解。

1 虛擬仿真實驗的設計

通過HFSS軟件建立仿真模型，可以計算：（1）仿真模型網絡端口的特征阻抗和傳輸常數；（2）天線的遠場和近場輻射問題和空間的電磁場分布；（3）模型的S參數；（4）諧振模型的本征模或諧振解。由于其強大的3D建模功能，以及仿真系統設置的靈活性，不同的電磁場實驗，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驗中的具體的應用。

如圖1所示，是一個E面金屬膜片波導濾波器的HFSS仿真模型，它的工作頻率較高，濾波性能好，加工一致性好。但它的測試設備十分昂貴，不適合學生在實驗室做實物實驗。

如圖3所示，由于測試波導濾波的矢量網絡分析儀兩端電纜衰減約為1.5 dB，此波導濾波器的實際衰減小于1 dB，與仿真結果十分相似。天線的測試需要微波暗室，在學校內，很難實現天線的測試條件。采用HFSS軟件，還可以很方便的仿真出天線的遠場和近場方向圖，讓學生對其有一個形象的認識。圖4所示的是一個微帶陣列天線的仿真模型。

2 結語

該文主要針對在電磁場實驗課程中，實驗器材昂貴，實驗效果一般等問題，提出采用HFSS軟件，進行虛擬仿真。HFSS與一般的數學計算類軟件不同，它的可以對仿真對象進行3D建模，將電磁場與電磁波中的微分方程求解轉化為圖形形式的電磁場分布，加深學生對磁場與電場的分布的理解。

參考文獻

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