基于HFSS的电磁场与电磁波教学虚拟实验研究

赵爽

摘 要：电磁场与电磁波是电子信息与通信专业的基础课程，也是微波与天线的基础，但课程本身比较抽象，是一门比较难学的课程。开设电磁场与电磁波的实验课，可以使学生对电场和磁场有个更加形象的理解。在实验教学中，可以利用HFSS软件，建立3D仿真模型，将电场和磁场的分布特性在仿真模型中形象地表现出来，使同学们加深对电磁场的理解，增强教学效果。

关键词：虚拟实验 电磁场 电磁波

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（c）-0186-01

电磁场与电磁波是电子信息与通信专业的学生来说，是一门重要的基础课程。它是射频微波电路、天线、电源等研究方向的基础。但由于其解法涉及到较多的数学知识，数值解法十分复杂，并且概念比较抽象，学生在学习中，很难有形象的理解。HFSS High Frequency Structure Simulator是Ansoft公司推出的三维电磁场仿真软件，在软件中，可以构建所需要的电磁仿真模型，应用其仿真，可以清楚看到电场与磁场的分布，并且可以进行动态仿真，使学生对课程中的概念有更深入的理解。

1 虚拟仿真实验的设计

通过HFSS软件建立仿真模型，可以计算：（1）仿真模型网络端口的特征阻抗和传输常数；（2）天线的远场和近场辐射问题和空间的电磁场分布；（3）模型的S参数；（4）谐振模型的本征模或谐振解。由于其强大的3D建模功能，以及仿真系统设置的灵活性，不同的电磁场实验，只要建立不同的仿真模型就可以了。下面简述一下HFSS在电磁场与电磁波实验中的具体的应用。

如图1所示，是一个E面金属膜片波导滤波器的HFSS仿真模型，它的工作频率较高，滤波性能好，加工一致性好。但它的测试设备十分昂贵，不适合学生在实验室做实物实验。

如图3所示，由于测试波导滤波的矢量网络分析仪两端电缆衰减约为1.5 dB，此波导滤波器的实际衰减小于1 dB，与仿真结果十分相似。天线的测试需要微波暗室，在学校内，很难实现天线的测试条件。采用HFSS软件，还可以很方便的仿真出天线的远场和近场方向图，让学生对其有一个形象的认识。图4所示的是一个微带阵列天线的仿真模型。

2 结语

该文主要针对在电磁场实验课程中，实验器材昂贵，实验效果一般等问题，提出采用HFSS软件，进行虚拟仿真。HFSS与一般的数学计算类软件不同，它的可以对仿真对象进行3D建模，将电磁场与电磁波中的微分方程求解转化为图形形式的电磁场分布，加深学生对磁场与电场的分布的理解。

参考文献

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