Ansoft在“电磁场与电磁波”教学中的应用

杨俊秀　赵文来　鲍佳

摘要：在“电磁场与电磁波”教学过程中，引入Ansoft工程电磁场有限元分析软件有一定的意义。首先，结合静电场边值问题的拉普拉斯方程求解，基于Maxwell 2D绘出了满足一定条件的矩形接地金属槽内空间等势线的分布；而后，由达朗贝尔方程的解及无方向性天线辐射功率，基于HFSS给出2款半波阵子天线，绘出了入射端口反射损耗S（1，1）、电压驻波比VSWR随频率的变化曲线。结果表明，不同尺寸天线对应不同工作频率。通过空间场线、反射损耗或驻波比曲线的仿真分析，在验证电磁理论的同时，增加学生对场的感性认识，加深他们对电磁场理论及其应用的理解，激发对电磁场的学习兴趣，提高教学效果，同时，培养其解决实际工程问题的能力，为以后从事相关工作打下基础。

关键词：Maxwell 2D； HFSS； 拉普拉斯方程； 达朗贝尔方程； 反射损耗； 电压驻波比

中图分类号：TN911?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2013）02?0097?04

0 引 言

以麦克斯韦方程组为基本出发点的电磁场理论，是公认的难学难教的课程。授课中，如果对抽象的“场”多从物理或实例上阐述，并对具体模型通过相关的仿真软件分析，则可增强学生的感性认识，加深对电磁场理论及其应用的理解[1]，且对以后从事相关工程问题的分析或设计提供仿真指导。首先，结合边值问题的拉普拉斯方程求解，基于Maxwell 2D绘出了满足一定条件的矩形接地金属槽内空间等势线的分布；而后，结合达朗贝尔方程的解及无方向性天线辐射功率，基于HFSS绘出2款半波阵子天线，给出反射损耗

[S1，1]（设负载输入端口为1端口，由于负载阻抗与传输线阻抗不匹配造成加载到负载上的电信号不能全部被负载吸收，[S1，1]即表示负载端口1处反射波电压与入射波电压比值，其值越大，说明加载到负载上的信号被反射回来的比例越高，故[S1，1]也表征了负载入射端口的损耗，也称为反射损耗）、电压驻波比VSWR（由于负载阻抗与传输线特性阻抗不匹配，到达负载的电信号能量有一部分被反射，传输线上反射信号与入射信号叠加后形成驻波。电压驻波比即指驻波的电压峰值与电压谷值之比，理想的比例为1∶1随频率的变化曲线。

由电压反射系数及驻波比随频率的变化曲线可知，天线一臂长17.5 mm时，中心工作频率为4 GHz，天线臂长8.5 mm时，中心工作频率为8 GHz左右。因此想要缩减天线尺寸，为获得一定的辐射效果须以减小工作波长即增大工作频率为前提，音频信号不易通过天线辐射，广播电台信息需经过调制技术才能有效的辐射。

3 结 语

电磁问题的实质即是求解给定边界条件下的麦克斯韦方程组及方程组演化的其他偏微分方程。随计算工具的发展，电磁场数值计算深入各个领域，有限元法是常用的数值方法，其中Ansoft公司的Maxwell 3D/2D就是优秀的电磁分析软件，HFSS是权威的天线分析与设计软件，电磁教学中引入Ansoft电磁分析软件具有一定的意义。基于Maxwell 2D的接地金属槽电势线，形象给出了槽内电势变化趋势；基于HFSS给出半波阵子天线反射损耗[dBS1，1]，简单验证辐射功率与天线工作频率或波长的关系，加强理论的同时，同时增强学生对天线辐射及电参数的感性认识，加深他们对电磁场理论及其应用的理解，激发对电磁场的学习兴趣，培养其解决实际工程问题的能力，提高教学效果。

参考文献

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