HFSS仿真在电磁场与电磁波教学中的应用

黄健全 蒋纯志 谭乔来

湘南学院 物理与电子信息工程系 湖南郴州，423000

HFSS仿真在电磁场与电磁波教学中的应用

黄健全 蒋纯志 谭乔来

湘南学院 物理与电子信息工程系 湖南郴州，423000

电磁场与电磁波是信息及相关领域中最为重要的专业基础课程之一。文章介绍了在电磁场与电磁波课程教学中引入HFSS仿真的意义，给出了传输线教学的应用实例。实践证明，应用HFSS虚拟仿真进行辅助教学，可以有效弥补实验设备的不足，帮助学生理解电磁场与电磁波的本质，激发学生的电磁场理论学习热情，提高其工程实践能力。

电磁场与电磁波；辅助教学；传输线；HFSS

随着航空航天、雷达、卫星通信、移动通信和大规模高速集成电路等技术的迅速发展，电磁场与微波技术已成为电子信息领域发展的重点、热点。作为该专业最重要的基础课程之一[1]，电磁场与电磁波理论性强，涉及数学知识较多、较深。同时，电磁场与电磁波空间分布复杂，具有不可见和不可感知的特点。如果按照传统的课堂教学方式，必然面对大量繁冗复杂的数学推导，难以得到直观的三维电磁场分布图形，这种枯燥的教学方法不够直观，无法激发学生的学习兴趣，教学效果往往差强人意。

HFSS !High Frequency Structure Simulator，是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，能够快速精确计算各种射频/微波部件的全波电磁特性，是当今最为流行的微波/射频工程设计软件之一。在电磁场与电磁波教学过程中引入HFSS虚拟仿真，通过HFSS设计模型、实例来讲解电磁场与电磁波的空间分布与传播。一方面可以帮助学生深刻理解教材的有关概念、理论；另一方面，让学生提前接触、使用微波设计软件，为今后的学习、工作积累工程经验，增强学生综合素质。

1 Ansoft HFSS 软件应用实例选择

场理论是电磁理论的基础，对于任何电磁问题都可以采用场理论的方法进行分析。而较容易被理解和接受的路理论则是场理论在直流或者低频状态下的近似。电磁场与电磁波的教学任务之一就是帮助学生建立场和波的思想，用场和路的思路来分析、理解电磁场与电磁波。如传输线相关的教学，要使学生不囿于低频路的局限，用场和波的思想来研究电磁场与电磁波在其中的传播。

传输线是微波电路与系统中的重要组成部分，既是导引电磁场传播的媒质，也是构成微波器件及电路的重要组成部分。受到高频电压或电流激励时，传输线及其周围空间的电场和磁场将产生相应变化。传输线上的电压、电流变化与电场、磁场都遵守时变电磁场规律。当传输线的物理长度与导波长相比很小时，可以采用分布参数电路理论，建立传输线元的电流、电压电报方程来分析、求解[2]。在讲授该部分内容时，发现纯理论的数学分析带给学生的只是一种抽象模型，无法与具体的传输线联系起来，难以理解传播相速、阻抗等参数的含义，更谈不上传输线上电磁场的分布。为了给学生以更具体、形象的讲解，笔者应用HFSS建立微带传输线模型，并分别用演示了传输线中电场、磁场和电流静态分布和动态变化，取得了较好的教学效果。

2 教学具体实施步骤

在教学过程中引入HFSS虚拟仿真，主要步骤如下：

(1)确定典型实例来求解实际电磁场与电磁波问题，如选择微带线、半波振子等；

(2)掌握HFSS软件各模块使用方法，包括定性分析和定量计算及对计算结果的分析和研究；

(3)修改原有教学文件，增加电磁场与电磁波仿真实例，使原来看不见、摸不着的场用形象的电流线、电场线甚至传播过程动态演示出来；

(4)教学过程中，复杂模型可以课前建好，简单模型则可以课堂完成，从而增加教学信息量，提高学生电磁场与电磁波方面的工程经验。

3 微带传输线教学实例

讲解传输线时，为了避免纯理论的数学分析，笔者应用HFSS软件进行辅助教学。整个微带建模、仿真过程比较简单，可以在课堂上通过多媒体设备演示，如图1。

图1 微带传输线的HFSS模型

仿真完毕，绘出传输线上的电流、电场和磁场分布，如图2和3。通过设问，让学生比较图2的电流和图3的电场、磁场分布与他们想象的是否一致，加深学生对传输线的认识。可以看出，传输线工作于高频时，电场、磁场波长均可与传输线长度相比较，集总电路的分析方法不再适用，但可以像教材中利用分布参数建立微分模型，其本质还是高频场理论在微结构中用路理论来等效[2]。另一方面，比较电流与电场、磁场分布，可以回顾传输线中传导电流是由信号导体与地之间介质中的位移电流(电位移对时间的变化率)转化而来的，进一步通过具体图形来加深对位移电流的理解。

图2 微带中信号导带上的电流分布(10GHz)

图3 微带中信号导带上的电场、磁场分布(10GHz)

为了更逼真地讲解电磁波在微带中的传输过程，还可以应用HFSS的动画功能，演示电场、磁场随电磁波传播时的动态变化情况，给学生以深刻的感性画面，从而进一步激发学生学习电磁场与电磁波课程的兴趣。

4 结语

HFSS应用电磁场与电磁波课程辅助教学中，可以形象刻画电磁场与电磁波的分布情况，动态演示电磁场与电磁波的传播过程。由此不仅可以弥补部分学校微波实验设备的不足[3]，大大改善课堂教学效果，激发课程学习兴趣；还可以通过课堂演示该微波软件的使用，增强学生的工程实践经验，提高学生的综合素质。

[1]王蔷,凌丹,洪兴楠等.电磁场与微波通信教学实验新体系[J].实验技术与管理,2005,(22)110-113.

[2]谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京,高等教育出版社，2005

[3]莫蓓莘.规范教学实验中心管理,追求卓越实验教学效果[J].实验技术与管理,2007,24(11)96-98.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.144