淺談電磁仿真軟件在電磁場與微波技術教學中的應用

高山山

摘要：本文介紹了電磁仿真軟件在電磁場與微波技術教學中的重要性，并以微帶線為例，介紹了利用電磁仿真軟件對微帶線進行仿真計算，加深對微帶線的理解。

關鍵詞：電磁仿真軟件;電磁場;微波技術

中圖分類號：TN015 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）25-0116-02

電磁場與微波技術這門課程是高等院校電子信息工程、通信工程、電子科學與技術等相關專業的重要專業課程之一。該課程主要包括：矢量分析、靜態電磁場、時變電磁場、平面電磁波、傳輸線理論、微波傳輸線、微波網絡基礎、常用微波元件、天線等知識[1]。該課程的一大顯著特點是與人們的日常生活聯系得非常緊密，它在通信、醫療、軍事等領域得到了廣泛的應用，具有較強的工程應用背景。因此，在對學生講授該課程時，可通過列舉實際生活中與之相關的例子，使學生對電磁場與微波技術的理論知識有更加深刻的認識。正是由于該課程的實際應用背景較強，對該課程的學習，除了要讓學生掌握電磁場與微波技術的基礎理論之外，還應當加強學生在該方面的實際應用能力，而實際應用能力的培養，則需要通過做一些實際的工程設計來實現。近年來，隨著計算機技術的快速發展，人們開始大量采用電磁仿真軟件來對微波元器件進行設計和分析。電磁仿真軟件在設計微波元器件時具有較強的靈活性，在電磁仿真軟件中建立微波元器件的模型較方便，同時，還可采用變量來設置微波元器件的相關幾何參數，即在需要改變微波元器件的幾何尺寸時，無需再另外建模，只采用改變微波元器件幾何參數的變量即可實現。此外，在電磁仿真軟件中對材料屬性等相關參數的設置也比較方便。在電磁場與微波技術的課堂教學中，也可以利用電磁仿真軟件來加強同學們對理論知識的理解，讓學生掌握電磁仿真軟件的基本用法，通過讓學生自己利用電磁仿真軟件對微波元器件進行相關的設計與分析，培養學生的創新能力。

一、電磁仿真軟件的介紹

目前，在微波元器件的設計中應用得比較多的電磁仿真軟件有HFSS、ADS、CST等。HFSS是一款基于有限元法的三維高頻電磁仿真軟件，其設計界面比較直觀，繪圖功能較強大，該軟件包括矩形、圓形、立方體、圓柱體等形狀的模型，而且可對模型進行旋轉、平移、等操作，學生在采用該軟件進行建模時比較方便，容易掌握其建模方法[2，3]。HFSS仿真軟件具有自適應網格以及快速掃頻等特點，它適用于不均勻介質以及一些結構比較復雜的元器件的仿真計算。但是，該軟件在求解計算的時候需要對全空間進行網格劃分，對計算機的性能也提出了一定的要求。利用該軟件對微波元器件進行仿真分析可以快速精確地得到微波元器件的S參數、端口特性阻抗、本征模等相關電磁參數。HFSS電磁仿真軟件適合于求解微波元器件、微帶無源電路、以及天線的輻射問題等。ADS仿真軟件功能強大，包含時域電路仿真、頻域電路仿真、三維電磁仿真等，它在射頻微波電路的設計方面得到了廣泛的應用[4]。利用該軟件既可以進行微波無源器件的設計與分析，還可以對微波有源器件進行設計和分析。在電磁場與微波技術的教學中，當講授到濾波器、功率分配器、耦合器等器件時，可以讓學生利用ADS軟件來進行一些實例的設計與分析，既可以幫助學生對這些器件的工作原理有更加深入的認識，又可以讓學生對實際的電路有一定的認識。同時，還可以讓學生基于這些器件的工作原理做一定的創新性設計，設計出性能更加優良的器件，并且采用ADS電磁仿真軟件進行仿真計算，驗證相關結果的正確性。CST是一款三維電磁仿真軟件，它能夠提供無源微波器件和天線的仿真計算，通過該電磁仿真，可以得到S參數、天線方向圖等相關電磁參數[5]。該軟件的設計界面也比較直觀，繪圖功能較強大，學生在學習該軟件時較容易上手。

二、微帶線的電磁仿真

微帶線在微波元器件的設計中具有較為廣泛的應用，其結構如圖1所示。圖1中灰色部分為金屬導體，上面是寬度為w的導體帶，下面為接地板;中間空白部分是厚度為h，相對介電常數為εr的介質材料。以εr=9.6，h=0.8mm，w=0.79mm的介質材料為例，利用電磁仿真軟件對該結構進行仿真計算，端口為50Ω，得到的S曲線如圖2所示。學生在利用電磁仿真軟件做該設計分析時，還可以改變w參數的值，去觀察相關特性的變化。當把導體帶的寬度w變為0.2mm時，得到的S曲線如圖3所示。從圖3可以看出，此時S參數發生了變化。此外，還可以考慮加入介質損耗角正切來進行仿真分析，觀察相關特性的變化，若在w=0.79mm的情況下，加入介質損耗角正切tanδ=0.2時，得到的S曲線如圖4所示。由以上仿真結果可以看到，當改變微帶線的相關參數時，其S曲線會發生相應的變化。在教學中，可以讓學生利用電磁仿真軟件對微帶線做相關的仿真計算，并分析得到的結果，加深學生對微帶線電磁特性的理解。將電磁仿真軟件應用于電磁場與微波技術的教學中，不僅可以幫助學生更好的掌握電磁場與微波技術的基礎理論，還可以培養學生的創新能力。

參考文獻：

[1]黃玉蘭.電磁場與微波技術（第二版）[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2]李明洋，劉敏.HFSS電磁仿真設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[3]李明洋.HFSS天線設計（第二版）[M].北京：電子工業出版社，2014.

[4]馮新宇，寇曉靜.ADS射頻電路設計與仿真入門及應用實例[M].北京：電子工業出版社，2014.

[5]金明濤.CST天線仿真與工程設計[M].北京：電子工業出版社，2014.

[6]周雪芳，錢勝.仿真軟件在《微波技術與天線》實驗中的應用[J].實驗科學與技術，2013，11（3）.

[7]賈建科，聶翔，韓團軍.微波技術課程實踐教學改革的探索[J].中國電力教育，2012，（05）.endprint