Comsol仿真軟件在“電磁兼容”課程實驗中的應用

白潔　陳玉　孔忻

[摘 要] 隨著電子產品中的電磁兼容問題越來越受到關注，“電磁兼容”理論已成為電氣技術人員必備的專業基礎知識，也是測控專業的學生不可或缺的能力之一。針對“電磁兼容”理論中概念抽象、公式多、學生理解困難等問題，通過優化實驗內容，采取基于問題需求牽引式、互動式的教學方式，將Comsol仿真軟件引入學生的實驗中去。以“飛機天線串擾電磁兼容仿真實驗”設計為例，說明將仿真軟件用于電磁兼容課程實驗的全過程。結果表明，該實驗方式從多角度綜合考慮了電磁兼容性的問題，有利于培養學生的理論知識，以及分析問題、解決問題的能力。

[關鍵詞] 電磁兼容;Comsol仿真軟件;飛機天線串擾學生

[基金項目] 2020年度西安交通大學教學改革研究與實踐項目“測控技術與儀器專業（電）培養新模式——以項目為牽引，增強感性認識，培養系統觀念，提高創新與項目管理能力”（2020-36）

[作者簡介] 白 潔（1968—），女，陜西西安人，碩士，西安交通大學電氣工程學院高級工程師，主要從事智能儀器和虛擬儀器技術等研究;陳 玉（1977—），男，陜西西安人，博士，西安交通大學電氣工程學院副教授，主要從事電力設備在線監測與故障診斷技術和特殊環境下的測試技術等研究;孔 忻（1965—），男，陜西西安人，學士，西安交通大學電氣工程學院工程師，主要從事傳感器儀器和虛擬儀器技術等研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0145-04 [收稿日期] 2021-08-17

引言

隨著科學技術和工業水平的迅速發展，電氣、電子設備的日益廣泛應用，電磁干擾已成為不可忽視的問題之一，其輕則導致電器產品性能下降，重則造成嚴重事故，損失無法估量?，F在國際、國內廣泛實施的電磁兼容（EMC）標準對電氣和電子產品的電磁兼容性提出了強制性要求，因此電磁兼容理論既是電氣技術人員必備的專業基礎知識，也是測控專業的學生不可或缺的能力之一。它通過對電磁干擾源、干擾信號的耦合機理和受擾設備的敏感機理分析，使學生掌握了EMC的基本設計方法[1]，但該課程內容抽象龐雜、工程實踐性強和知識更新快，教師講授難度大，學生理解也困難，因此實驗是學生理解理論知識的最有效手段，但電磁兼容實驗設備比較昂貴，特別是在復雜環境下的電磁兼容實驗成本更高，調試難度更大，實操存在一定的危險性。如果采用仿真實驗的形式，虛實結合，模擬實驗環境和實驗對象，可以將抽象的理論以圖文并茂的形式展現在學生面前，方便學生理解。Comsol是一款功能強大的多物理場仿真軟件，用于仿真模擬工程、制造和科研等各個領域的設計、設備及過程，輕松實現建模流程的各個環節，可用來分析電磁學、結構力學、聲學、流體流動、傳熱和化工等眾多領域的實際工程問題[2]。它資源豐富，建模方便，學生容易上手。

在面向新工科的未來工程教育培養理念下，強調面向復雜工程問題的實踐能力培養，在教學過程中融入一些科研項目中的案例，采用以問題為導向的自主式和探究式教學法，調動學生參與實驗的積極性。因此，我們在“電磁兼容”課程的實驗中引進了Comsol仿真軟件，引導學生自行設計仿真實驗，還原課堂教學的理論知識，加深理解，既調動了學生參與設計實驗的興趣，又提升了學生的工程能力和工程素質。

一、實驗教學改革的目標及設計思路

通過學生自主設計“電磁兼容”課程的仿真實驗，更好地理解電磁兼容理論的相關知識，掌握電磁兼容的基本設計方法，能夠舉一反三、學以致用，初步培養學生的工程意識和能力，為后續學習和工作打下一定的基礎。

“電磁兼容”課程公式多、概念抽象，學生不容易理解。學生有畏難情緒，學習興趣不高，阻礙了學習的積極性，所以我們采取主動和被動雙管齊下的方式，鼓勵學生認真學習。主動是指結合當前的熱點問題選取學生感興趣的內容，設計仿真實驗，激發學生探索未知問題的積極性，同時優化實驗方法，采用基于問題的需求牽引式教學方法，讓學生以解決問題的心態完成實驗內容。被動是指采用實驗設計過程考核的方式督促學生認真思考，努力解決問題，獲得好的成績。

（一）將抽象的理論形象化，精心設計學生感興趣的實驗

“電磁兼容”課程理論抽象，不容易理解，因此我們在設計實驗時就要想辦法將學生不易掌握的抽象理論轉化為形象化和具體化的事物。那應該選擇哪些仿真實驗呢？通過對學生的問卷調查和教師在講課過程中學生的反饋，我們認為設計的仿真實驗應具有工程實踐背景、學生感興趣、可操作性強等特點。在教學過程中融入一些科研項目中的案例[3]，比如：在講解“天線布局原則、隔離度的概念以及干擾分析”這個概念時，選用了學生感興趣的飛機上天線串擾的問題，利用仿真實驗的形式，引導學生自己建模，設計相關參數，比較天線在不同位置上的串擾，通過定量分析，使抽象的電磁場形象化。同時，學生學習了軟件建模方法，對今后走向工作崗位大有益處。

（二）優化實驗教學方法，采取基于問題的需求牽引式、互動式教學方法

實驗以問題引出，引導學生帶著問題進行有目的的仿真分析，自主構建模型，計算相關參數，判斷其是否符合要求，能否解決問題，以達到模型的最優化。該方法具有開放性和拓展性的優點，學生可根據自己的意愿和能力不斷探索，深入研究不同參數對建模結果的影響，提高解決問題的能力及創新思維的能力。在實驗過程中，教師可與學生進行討論，掌握選擇最優和最經濟的實驗方案，更準確地模擬工業現場的需求。

（三）采取層層推進的考核方法，督促學生完成實驗內容

把整個實驗內容分為幾個部分，各個部分內容環環相扣，逐步推進，促使學生要不斷解決問題，才能完成整個實驗。

二、實驗改革內容和實施路徑

（一）實驗改革內容

我們精心設計了一批仿真實驗，學生可在其中選兩項來完成，下面我們以“飛機天線串擾電磁兼容仿真實驗”為例，說明仿真實驗的具體實施方法和步驟。該實驗主要是為了學生理解知識點“天線布局原則、隔離度的概念以及干擾分析”的內容而設計的?！帮w機天線”對學生來說既是陌生的又是感興趣的話題，因為有興趣，學生愿意進一步學習，這可以加深學生對概念的理解，有利于培養學生分析問題和解決問題的能力。

機載天線的電磁兼容性分析比較復雜，需要綜合考慮。通過對機載天線的分析，它應具有這樣的特點：一是飛機機身上分布著大量的天線，工作頻段相互重疊，這就導致的發射天線和接收天線之間的串擾問題，并尤為突出;二是飛機機身有限，上面安裝著大量的電子設備，這也造成了相互的干擾[4];三是在飛機機身上不允許做過多的破壞性實驗，因此在設計飛機的電子設備之前，必須對其電磁兼容性進行仿真分析，確定最優化參數。學生也可以通過這樣的學習對“天線布局原則、隔離度計算”有深刻的理解和掌握。

（二）實驗教學方法

本項目將問題驅動、自主設計式和探究式等教學方法相融合，實施方法如圖1所示。

在“機載天線串擾”的實驗中，首先向學生提出“天線安裝在什么位置上合適”的問題，帶著這個問題，學生就會考慮如何判斷天線的位置是否合適，這就需要從原理出發，掌握“天線方向圖及隔離度的計算方法”。下一步學生就要進行自主設計，對飛機和天線建模采用探究式的學習方法，分析天線安裝位置對天線的串擾，從而判斷出天線的最佳安裝位置，加深對課堂學到的“天線布局原則、隔離度的概念以及干擾分析”等知識的理解和掌握，引導學生自主思考，提升實驗教學效果。該實驗內容既可向深度和廣度進行擴展，也可作為學生的創新實驗，提高了學生分析問題和解決問題的能力。

（三）實施步驟

在仿真實驗中，首先設計飛機和天線的數學模型，再考慮將天線分別安排在機身和尾翼的不同位置時天線間的相互影響。學生可自行設計，計算隔離度，探究天線安排的原則和方法。

1.仿真問題描述。飛機上天線串擾是一個比較復雜的問題，涉及的概念和原理也比較多，為了便于學生理解，首先將問題簡化，具體描述為飛機需要安裝兩根天線，一根為發射天線，安置在飛機機身上面，要求學生確定接收天線是否安裝的合適，如果位置不合理，就會導致發射天線和接收天線間的串擾。假定機身頂部有一根發射天線，另一根接收天線位于機身底部的位置，將其位置從后側移到前側，分析干擾量的大小，如圖2所示，YZ平面上以分貝為單位的電場模。

2.關鍵參數分析。天線在不同位置時的相互干擾量可以根據隔離度S這個參數來定量描述;S表示發射天線對接收天線的影響，數值越大越好;S表示接收天線對發射天線的影響，數值越小越好。

3.設計步驟。Comsol仿真軟件中的示例豐富、講解詳細，學生首先花4個學時進行Comsol軟件平臺的學習，了解該平臺的使用方法和設計流程。其次在其例程庫中找到“飛機機身上的天線串擾仿真”示例，修改相關參數，計算獲得仿真結果。Comsol設計流程包括：（1）搭建環境：選擇合適的幾何環境，搭建飛機模型;（2）物理場選擇：電抗近場和輻射遠場;（3）幾何模型的材料選擇;（4）仿真與結果。最后進行計算，得到仿真結果，可根據需求繪制不同的圖，方便觀察。如圖3所示，天線在不同位置時干擾量S11和S21的值。

當接收天線位于機身的不同位置時，通過S和S的數值看出，S數值很接近，說明接收天線的三種放置位置對發射天線影響不大;S數值略有不同，當接收天線位于機尾即機身后側時，S值最大，其對發射天線的串擾影響最小，綜合S和S的數值得出，接收天線安裝在機尾位置最優。

結語

以“機載天線間的串擾”為實踐背景，采取基于問題的需求牽引式、互動式教學方法，引導學生根據實驗目標設計仿真實驗，探索各參數之間的相互影響，進行電磁輻射的結構設計和定量計算，可快速、直觀地發現設計的缺陷，調整參數進一步優化模型，多角度提高學生對電磁環境的認知，逐步培養學生的工程設計與研發能力，加強對學生分析問題和解決問題能力的培養。

參考文獻

[1]雷紹蘭，劉述喜，楊佳，等.“電磁兼容理論”教學改革探索與實踐[J].中國電力教育，2010（6）：118-119.

[2]高若堯.柔性熱釋電-壓電傳感器結構仿真及信號調理電路設計[D].成都：電子科技大學，2019.

[3]沈瑤，趙彥珍，高昕悅，等.節點電壓法的編程實現及其拓展應用教學設計與實施[J].實驗科學與技術，2020，18（6）：107-112.

[4]李東超.機載天線的電磁兼容性分析[D].西安：西安電子科技大學，2011.

Application of Comsol Simulation Software in the Course Experiment of

Electromagnetic Compatibility

BAI Jie， CHEN Yu， KONG Xin

（School of Electrical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an， Shaanxi 710049， China）

Abstract： With the increasing attention to the problem of electromagnetic compatibility in electronic products， Electromagnetic Compatibility theory has become a necessary professional basic knowledge for electrical technicians， and it is also one of the indispensable abilities of students majoring in measurement and control. Aiming at the problems of abstract concepts， many formulas and difficult understanding of students in the Electromagnetic Compatibility theory， COMSOL simulation software is introduced into students’ experiments by optimizing the experimental content and adopting the traction and interactive teaching method based on problem needs. Taking the design of “aircraft antenna crosstalk electromagnetic compatibility simulation experiment” as an example， this paper explains the whole process of applying the simulation software to the course experiment of Electromagnetic Compatibility. The results show that the experimental method comprehensively considers the problem of electromagnetic compatibility from multiple angles， which is conducive to training students’ theoretical knowledge and the ability to analyze and solve problems.

Key words： Electromagnetic Compatibility; Comsol simulation software; aircraft antenna crosstalk