淺議現代EDA工具在電磁場與微波技術專業教學中的作用

黃曉東，金秀華，李 波

(南京郵電大學電子與光學工程學院，江蘇 南京 210003)

1 學科專業背景

在我國的理工科領域專業系列中，電磁場與微波技術是一個既傳統又前沿的細分電學學科。隨著無線技術近年來的高速發展，在移動通信和國防電子兩大相關主力應用場景的強力推動下，該學科得到的社會關注度越來越高，對學生的吸引力也逐步增強。

該專業的顯著特色是極高的理論與工程結合度。一方面，該專業對理論要求較高。在課程設置上包含了許多工程電磁場方面的內容，其中麥克斯韋方程組、波的傳播、導波系統與輻射等部分均包含有大量的基礎物理和數理方程方面的內容，在學生眼中往往是“難”與“繁”的結合體。就理論部分而言，該專業對外的印象是較為傳統的，因為相關基礎理論的知識更新已近于停滯。在學科發展的早期，對電磁波驗證最終導致了天線的發明[1]，并實際應用在了無線電臺中。但近年來，新興的前沿物理理論的結論目前還難以對工程電磁場的相關應用做出真正有效的推動。另一方面，該專業又極為強調應用。與其他工科專業類似，該專業的所有理論均為實際應用做服務，這從該學科的發展歷史上可以得到清晰的佐證[2]。例如，現代傳輸線理論是為了解決跨大西洋電纜的信號失真問題；波導理論是為了解決大功率長距離微波信號傳輸衰減；計算電磁學是為了提高設計效率和精度并減少設計時間和物質成本。換言之，該學科作為“工科”，對理論的要求較為具體，更側重于如何解決具體問題。

鑒于其在國防領域中的重要地位，我國歷來重視在微波電磁場方面的投入。因此國內在該專業方向積累較早、優秀人才輩出。該專業也是少有的能夠緊跟甚至引領國際研究前沿的一個學科。以全球范圍內每年一次的、最具代表性的IEEE Microwave Prize為例，該獎項2022年度花落中國科學院上海微系統所；而2021年則授予了東南大學。上述獎項的獲獎人均為本土團隊，也側面佐證了中國在該專業中的地位。筆者自2012年起承擔了該專業本科和研究生的若干門課程的教學工作，在長期一線教學工作中，發現了EDA工具在該專業教學中的若干作用，下面加以簡單探討。

2 EDA工具介紹

EDA(Electronic Design Automation)是伴隨著高速計算機發展起來的新興工業概念，屬于工業軟件類目。利用此類軟件，設計人員可以在計算機的輔助下，利用專用算法，通過電腦屏幕實現交互式設計，不僅能夠提高設計效率，更能通過可視化界面直觀的構想電路的布局和功能，因為模型對物理概念理解的幫助非常大[3]。在電磁場與微波技術專業中，EDA工具還具有更深層的意義，因為所有電磁場EDA軟件的核心均為計算電磁學，而計算電磁學本身就是電磁場微波專業的核心課程和專業方向之一。

在該專業中，涉及的EDA工具主要有以下幾種：HFSS[4]，CST，IE3d，XFDTD，AWR和ADS等。其中主要基于時域仿真方法的工具有CST和XFDTD，其可以通過一次時域仿真可以獲得多頻點的響應，適用于求解寬帶問題，但相對單次仿真而言較為耗時；其他軟件主要基于頻域仿真方法，單次仿真獲得單頻點的響應，適用于求解窄帶問題，當需要獲取寬帶響應時，往往需重新設置剖分網格。HFSS，CST和XFDTD這類基于體元胞算法的EDA軟件在使用時均需要設置邊界條件，擅長對三維場問題進行直接求解，適用于金屬波導、介質諧振器和接頭等立體實體；而基于矩量法的IE3d和ADS Momentum在使用時無需考慮邊界條件，建模簡單，更適合對2.5維的層狀結構進行仿真，在多層電路設計中具有更高的效率。此外，利用CST和XFDTD之類的時域求解器，還能夠直接獲得求解區域電磁場的完整時域響應，在時域波或脈沖信號的可視化上具有獨到的優勢，因此常用于設計超寬帶器件，如UWB天線和低失真結構等。此外，也可以利用通用的COMSOL軟件進行電磁問題的求解[5],或者利用更專業的數學工具Mathematica實現更靈活的電磁場研究[6]。

業內對上述各種軟件的仿真精度眾說紛紜，就筆者的個人經驗而言，只要能夠正確設置軟件的相關參數，結果的精度都是能夠得到保證的。此外，軟件參數的正確設置需要有一定的電磁場理論知識作為基礎，不可能通過簡單的網上教程做到無師自通，這也是本專業從業人員的準入門檻之一。

相對而言，IE3d界面簡潔，使用便利，適用于簡單平面電路的快速仿真驗證，但早期版本的參數化建模能力較弱，在設計調整復雜電路時效率較低；ADS軟件支持電路Schematic到Layout的直接映射，在設計復雜電路時具有極大的便利性，但其缺點為建立映射時需要考慮的參數過于瑣碎復雜。此外，該軟件的Schematic部分的各類傳輸線元件模塊在快速電路原型驗證時擁有極大的優勢，AWR軟件也支持類似的操作。

HFSS和CST軟件在建模仿真三維立體結構上擁有較大的優勢，就仿真結果精確度而言是業界事實上的標準。雖然上述兩個軟件的核心算法不同（HFSS基于有限元法FEM，CST基于有限積分法FIT），但其建模環境和結果輸出均支持標準化參數輸出繪制。因此盡管此類軟件對仿真計算機的硬件要求較高，但卻常用于仿真結果的最后一步對比性驗證。在教學實踐中，筆者常要求學生能夠熟練掌握兩種常見軟件的操作，一種適用于2.5維結構如IE3d或ADS Momentum，另一種基于全三維結構如HFSS或CST，這樣對學生未來工作中遇到的電磁仿真問題能夠做到較全面的覆蓋。

3 教學中的應用

具體到教學環節中，擬從以下三個不同環節對EDA 軟件在課程的應用展開闡述，分別為理論課堂教學[7]、虛擬仿真實驗（軟件設計）[8]和畢業設計（專業實習）。

3.1 在課堂教學中的作用

2003 年，筆者進入電磁場與微波技術專業開始了研究生階段的學習。在學習高等電磁場和微波技術等課程之初，經常被大量的概念定義和公式推導“嚇”到，有時不免心存懼意。后來有幸聆聽了南京郵電大學曹偉教授的《計算電磁學》課程之后才有所緩解，并逐步建立起本專業的知識框架。曹偉教授采用自編教材，將所有課內涉及到的電磁場公式均一一推導出來，并以“計算”為工具，以“結果”為導向，逐步分解每個步驟，詳解每一步驟的緣由，直到給出最后一步能夠直接進行代碼化的公式。曹偉教授上課時，前三分之二時間先逐一點評課后作業的完成度，后三分之一時間則對本次課程的內容逐步加以引導，精妙之處重點剖析，有時也會故意留些難點供學生們攻克。通過《計算電磁學》的學習，得益有三：1.對空泛的電磁場相關公式和概念有了直接的認識，領悟到公式和概念的具體作用，加深了對電磁場理論本質的理解；2.通過計算各類實例，了解了前人處理復雜系統的方法及其來龍去脈，認識到無論多復雜的問題均是“可解的”；同時也了解到各種計算方法的局限性，知道了算法的具體“可行性”；3.發現了各種商業EDA 軟件的核心算法均是“簡單”的，大致知道了EDA 軟件內近百個參數的具體含義，不再盲從于所謂官方教程和建議參數取值。

在走上工作崗位之后，筆者經常在課堂上利用EDA 軟件進行輔助教學。在演示軟件之前，會預先告訴學生上述工具都是基于計算電磁學知識編制的。例如，利用ADS 的動態Smith Chart 工具為學生們演示圓圖的具體操作，這種實際演示比任何圖片和動畫效果都要好得多；在講述傳輸線理論時，利用ADS 的Ideal Transmission Line 模塊和Lumped Element 模塊進行分布式和集總式參數的仿真結果對比，并引入理想左手材料傳輸線進行最新科學概念的傳播；在講述微波傳輸線時，利用HFSS 的同軸線或波導模型演示場的模式分布動畫以及截止場的傳播；在講述耦合器、功分器時，利用HFSS 演示同相疊加、反相抵消的真實物理圖像，演示隔離端和耦合端的實際工作場分布。通過上述演示，學生對傳輸線和器件的印象從書本上的“平面畫”變成了三維虛擬實體，從靜態的“波形”變成了動態傳播的“場”，對初學者正確概念的建立具有極大的益處。

3.2 在虛擬仿真實驗中的作用

作為國家級雙一流建設學科，本專業也開展了相關虛擬仿真類課程，例如大三下學期的《軟件設計》和大四上學期的《課程設計》。在上述課程中，利用校級和院級的虛擬仿真平臺，在專業老師的指導下，學生可以系統的學習相關專業EDA 軟件的使用，并利用EDA 軟件對具體課題進行仿真分析。由于本專業的電路器件工作頻率較高，價格昂貴，學生實際操作實驗的可行性不高。得益于現代EDA 軟件的高效能和計算機硬件的發展，教師可以利用EDA 軟件教會學生對器件進行虛擬建模，快速評估了解器件的性能[9]。這種培養模式不僅節約了課堂成本，同時還提高了學生的實際設計能力。目前在工業界設計投產流程的第一步就是EDA 仿真驗證，也變相提高了學生的就業能力。據反饋，用人單位普遍對學生的EDA 軟件使用能力較為看重，這也從市場的角度證實了EDA 軟件在電磁場微波教學方面的重要地位。

3.3 在畢業設計、研究生教育中的作用

在畢業設計和研究生教育全階段，都會涉及到EDA 軟件的系統性應用。與上一部分的作用不同，在該階段中EDA 軟件不再是學習的目標，而是真正的工具。計算電磁學方向學生的代碼驗證需要與商用EDA 軟件的仿真結果作對比；而器件設計方向的學生根據選題和進度選擇最適合自己的EDA 軟件。在該階段中，學生需要充分了解各種工具的局限性，清楚仿真誤差的來源，以及如何根據實測結果修正仿真參數并實施下一輪仿真，最后更高級的操作還包括跨軟件的聯合仿真等等。應該說畢業設計和研究生階段的工作是相關從業人員職業生涯的起點，此時教師的作用將會逐漸淡化，而EDA 軟件的使用將伴隨其整個職業生涯。

4 總結

本文結合筆者在電磁場與微波技術專業近20 年的學習和教育經歷，對EDA 軟件在高等學校教育中的作用做了簡單回顧和總結。電磁EDA 軟件源于計算電磁學，應用于微波射頻電路及天線設計，是當代電磁場相關專業領域在教學和工程應用中不可或缺的一部分，在未來的地位還將進一步提升。筆者希望相關專業同行能夠進一步重視EDA 在高等教育中的地位，積極拓展EDA 軟件內容在課程中的比例，讓學生更好的掌握和熟練運用關聯軟件去分析和解決實際工程問題。