电子仿真技术在电磁理论教学中的作用及实践

周喜权　惠鹏飞

【摘要】本文通过在电磁理论教学中引入电子仿真技术，说明了电子仿真在电磁理论教学中的作用。同时也具体通过高频仿真软件HFSS构建了几种典型电磁理论模型，并进行了详细仿真分析过程，充分展示了电子仿真在电磁理论教学中的作用，对于电磁理论课程教学改革将有启迪作用。

【关键词】电子仿真；金属波导；畸变；电磁场

随着计算机技术的快速发展，通过借助计算机可以解决以往不能解决的众多理论与实践问题，并通过计算机推动了科学技术的快速发展。宏观电磁理论是抽象而复杂，它是以麦克斯韦方程为核心，简单规则问题通过解析解求得，而分析复杂电磁问题只能通过数值技术加以解决，而数值技术只能依赖计算机来辅助完成，所以计算机仿真与分析是解决复杂电磁问题唯一方法。在电磁理论教学中应用电子仿真是现代教学必须充分考虑的问题，本人多年通过引入电子仿真技术教学来引导学生学习电磁理论，并得到以下几点体会：

一、电子仿真技术在电磁理论教学中的作用

（1）电子仿真技术是现代科技发展的必要手段，现代的科技成果无不是电子仿真技术在发挥作用，如大型飞机的机电控制系统，内有无数电子元件在电磁场下工作，设计和分析电磁运动规律都是通过电子仿真技术来完成。掌握电子仿真技术是从事电子设计和研究工作者必备的素质之一，当然也是教学研究的需要。

（2）电磁理论是学科中比较抽象的理论，电磁场看不见摸不着，但确存在生活各个方面。掌握电磁运动规律依靠传统教学是很难进行的，以往教师通过口述和板书引导来传输知识，对于比较抽象的理论，无论采取何种语音表达也难以说明清楚，这种教学弊端显现越来越突出。通过多媒体辅助教学，引入电子仿真技术就可将复杂问题通过静态或动态的画面形象生动展现出来，加速学生对知识的理解，提高教学效果。

（3）电子辅助教学要同传统教学有机结合才能发挥作用，要设计好教学中的各个环节，将需要展示的电磁场仿真过程通过多媒体展示给学生，突出典型规律，将仿真现象和理论紧密结合在一起，充分验证理论的指导作用，同时也说明仿真在设计和分析中作用。

二、在电磁理论教学中的仿真实践过程

下面通过教学中比较典型的电磁规律展示仿真教学在课程教学中的作用。

（1）金属波导中电磁波传播过程分析

波导中电磁波与自由空间中传输不同，传输的是TE或TM波，其波型中电磁场分布也随不同模式而不同，根据波导传输条件，当波导内可以传输电磁波，λ<λcmn，如图1为当λc₂₀<λ<λc₁₀。时T型波导内部电磁波主模TE₁₀传播仿真分布，图2为电场与磁场的电力线分布，是单一模式和单一图样在波导内传输。

当λ<λc₂₀。时波导内开始出现多模工作方式，电磁分布如图3和4。可见波导内有多种模式在叠加传输，形成复杂电磁分布，与图1和2的单一模式不同，这种传输特点只有借助电磁仿真软件才可以展示出来，这就是电磁仿真的独特优势，当然也可以通过仿真软件动画模拟更能看出波导内实时电磁传输过程的细节。

三、微波信号传输完整性分析

信号完整性是指电路系统中信号不失真地从源端传到接收端，并不对其它信号产生干扰。保证微波信号完整传输需要复杂设计，在现代印刷电路版和集成电路设计制造领域，微波信号完整性传输已经成为一个关键技术的瓶颈。主要表现是对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射和电磁干扰等。下面对信号串扰和信号传输畸变进行电子仿真分析。

（1）微波传输线串扰分析

如图5为微波带状线，两条传输线在同一介质中，由于微波信号是在传输线的引导下传输电磁波，如果两条传输线相距很近就会互相产生电磁耦合现象，使传输线上的信号互相串扰，越近越严重，如图6就是仿真结果，可以直观看到两条传输线电磁耦合的程度，较近时两条传输线上电磁场相互交织，耦合严重，每条传输线上的信息传输完整性被破坏。所以微波传输线在布线设计时要充分考虑传输线间的距离，在保证信息完整性下设计布线。

（2）微波传输线畸变分析

如图8为传输线通过电路板过孔时的电路模型，当微波信号通过此电路时，微波信号会因为传输路径的变化使信息产生畸变，导致有些频率信息出现反射或衰减，同样也是信息完整性被破坏，通过电磁仿真可以直观看到微波信号衰落过程，如图是仿真得到的结果，图9为板上电磁场分布情况，可以看到有些频率已被衰减。图10为

各频率通过过孔后频率变化情况，可见信息中个别频率被衰减，其它频率衰减很小，基本通过传输线。

四、天线电磁场辐射分布分析

天线设计是一个复杂的电磁场的设计和分析过程，各种天线设计都涉及到远场方向图分布，通过电磁仿真可以直观看到天线远场分布状态，从而快速有效设计各种天线。如图11为微带天线设计模型，通过电磁仿真可以得到远场分布方向图12，以及各平面方向上的平面方向图13，同时通过调整天线参数和优化过程得到理想天线。

通过电磁场教学中引入电磁仿真过程，实现了将传统教学与现代仿真技术的结合，大大提升了课堂教学效率和效果，使理论教学与计算机技术得到充分融合，对促进课程教育体制改革将有很大益处。