《电磁场与电磁波》课程实验教学研究

2013-12-04 06:56陈明生张忠祥

合肥师范学院学报 2013年3期

张量，孔勐，陈明生，张忠祥

（合肥师范学院电子信息工程学院，安徽合肥230601）

1 引言

《电磁场与电磁波》课程是电子信息类专业必修的专业基础课之一，该课程理论性强，相关模型抽象［1］。传统的课堂理论教学方式使学生只能被动的接受知识，限制了其学习的主动性，教学效果不佳。为了使学生直观、生动的理解电磁场理论模型，应引入适应于该课程特点的相关实验教学环节。

经前期调研，为了满足电磁场与微波技术相关课程硬件验证和测量性的实验要求，一些有条件的学校建立了“微波工程”实验室，但对于《电磁场与电磁波》来说，该课程更偏向于电磁场理论的分析，“微波工程”实验设备无法直接可视化出抽象的、不可感知的电磁场理论模型。文章将 Matlab、HFSS软件引入到《电磁场与电磁波》课程的实验教学中，仿真出各种电磁场模型的可视化结果，模拟波导中电磁场的分布及电磁波的传播和辐射特性。通过电磁仿真实验平台，把理论教学和仿真实验教学有效结合起来，加深学生对理论知识的理解，为以后的工程实践打下基础。

2 仿真实验平台

2.1 Matlab软件

Matlab是Math Works公司研发的一款主要用于科学与工程计算的软件工具，具有强大的矩阵运算、数据处理和图形显示功能。Matlab拥有大量简单、灵活、易用的二维、三维图形函数以及丰富的图形表现能力，为各种科技图形的绘制带来了方便［2］。在电磁场数据获取系统中往往涉及大量的数值计算，这些数据可从电磁场数值计算模拟和实验测试获得，但是手工计算结果往往会很繁琐，甚至出现错误，徒手绘制图形，则更加复杂。然而，利用MATLAB复数运算功能则可以方便的将计算结果显示出来，另采用MATLAB语言能够直观地模拟和演示各种电磁现象，并给出直观的图像，更加形象、精确，可视性很强，因此，将 MATLAB引入到实验教学中适应电磁场教学改革的要求。

2.2 HFSS软件

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，是当今最为流行的射频／微波工程设计软件之一。在电磁场与电磁波实验教学过程中引入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［3］。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，让学生提前接触及使用微波设计软件，为今后的学习、工作积累工程经验，增强学生综合素质。

3 仿真实验教学实例

电磁场理论涉及大量的矢量场计算，较为复杂，从理论公式中很难直接理解其物理意义。本课题组根据《电磁场与电磁波》课程教学的特点，结合Matlab及HFSS强大的仿真图示功能，设计出若干适用于本课程的仿真实验，通过学生自主编程来实现抽象理论模型的可视化，以此加深学生对电磁场理论的理解，激发他们学习电磁场的积极性。

3.1 静电场电位与电场强度分布

已知空间电位分布为φ＝log（x2＋y2），要求通过Matlab软件可视化出其等位线和各点电场。因为电场强度＝－▽φ，程序调用用Matlab软件中gradient及contour函数即可求得电场强度→E及等位线，结果如图1所示。

图1 等位线及电场分布图形

3.2 电波传播模型仿真

3.2.1 均匀平面波

均匀平面波是指等相位面上场强处处相等的平面波。假设均匀平面波在无源、均匀、线性、各向同性的无限大理想介质中传播，电场为x轴分量，电磁波沿＋z方向传播，其瞬时电场、磁场表达式为［4］：

图2 均匀平面波图形

根据仿真图像可以直观的表示出均匀平面波在理想介质中的传播特性：

3.2.2 TE波传播的动态仿真

电磁波是传播的变化电磁场，但大多研究者仅对瞬时静态电磁波进行仿真，无法直观体现出电磁波的传播特性［5］。在实验中引入时域有限差分方法［6］（FDTD），对 TE波的动态传播特性进行模拟，增强了学生运用Matlab软件的实际编程能力，加深了学生对电磁波传播特性的认识，使学生初步接触到计算电磁学的基本方法，为一些志在电磁场与微波技术方面深造的学生打下算法基础。