浅谈电磁仿真软件在电磁场与微波技术教学中的应用

高山山

摘要：本文介绍了电磁仿真软件在电磁场与微波技术教学中的重要性，并以微带线为例，介绍了利用电磁仿真软件对微带线进行仿真计算，加深对微带线的理解。

关键词：电磁仿真软件;电磁场;微波技术

中图分类号：TN015     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）25-0116-02

电磁场与微波技术这门课程是高等院校电子信息工程、通信工程、电子科学与技术等相关专业的重要专业课程之一。该课程主要包括：矢量分析、静态电磁场、时变电磁场、平面电磁波、传输线理论、微波传输线、微波网络基础、常用微波元件、天线等知识[1]。该课程的一大显著特点是与人们的日常生活联系得非常紧密，它在通信、医疗、军事等领域得到了广泛的应用，具有较强的工程应用背景。因此，在对学生讲授该课程时，可通过列举实际生活中与之相关的例子，使学生对电磁场与微波技术的理论知识有更加深刻的认识。正是由于该课程的实际应用背景较强，对该课程的学习，除了要让学生掌握电磁场与微波技术的基础理论之外，还应当加强学生在该方面的实际应用能力，而实际应用能力的培养，则需要通过做一些实际的工程设计来实现。近年来，随着计算机技术的快速发展，人们开始大量采用电磁仿真软件来对微波元器件进行设计和分析。电磁仿真软件在设计微波元器件时具有较强的灵活性，在电磁仿真软件中建立微波元器件的模型较方便，同时，还可采用变量来设置微波元器件的相关几何参数，即在需要改变微波元器件的几何尺寸时，无需再另外建模，只采用改变微波元器件几何参数的变量即可实现。此外，在电磁仿真软件中对材料属性等相关参数的设置也比较方便。在电磁场与微波技术的课堂教学中，也可以利用电磁仿真软件来加强同学们对理论知识的理解，让学生掌握电磁仿真软件的基本用法，通过让学生自己利用电磁仿真软件对微波元器件进行相关的设计与分析，培养学生的创新能力。

一、电磁仿真软件的介绍

目前，在微波元器件的设计中应用得比较多的电磁仿真软件有HFSS、ADS、CST等。HFSS是一款基于有限元法的三维高频电磁仿真软件，其设计界面比较直观，绘图功能较强大，该软件包括矩形、圆形、立方体、圆柱体等形状的模型，而且可对模型进行旋转、平移、等操作，学生在采用该软件进行建模时比较方便，容易掌握其建模方法[2，3]。HFSS仿真软件具有自适应网格以及快速扫频等特点，它适用于不均匀介质以及一些结构比较复杂的元器件的仿真计算。但是，该软件在求解计算的时候需要对全空间进行网格划分，对计算机的性能也提出了一定的要求。利用该软件对微波元器件进行仿真分析可以快速精确地得到微波元器件的S参数、端口特性阻抗、本征模等相关电磁参数。HFSS电磁仿真软件适合于求解微波元器件、微带无源电路、以及天线的辐射问题等。ADS仿真软件功能强大，包含时域电路仿真、频域电路仿真、三维电磁仿真等，它在射频微波电路的设计方面得到了广泛的应用[4]。利用该软件既可以进行微波无源器件的设计与分析，还可以对微波有源器件进行设计和分析。在电磁场与微波技术的教学中，当讲授到滤波器、功率分配器、耦合器等器件时，可以让学生利用ADS软件来进行一些实例的设计与分析，既可以帮助学生对这些器件的工作原理有更加深入的认识，又可以让学生对实际的电路有一定的认识。同时，还可以让学生基于这些器件的工作原理做一定的创新性设计，设计出性能更加优良的器件，并且采用ADS电磁仿真软件进行仿真计算，验证相关结果的正确性。CST是一款三维电磁仿真软件，它能够提供无源微波器件和天线的仿真计算，通过该电磁仿真，可以得到S参数、天线方向图等相关电磁参数[5]。该软件的设计界面也比较直观，绘图功能较强大，学生在学习该软件时较容易上手。

二、微带线的电磁仿真

微带线在微波元器件的设计中具有较为广泛的应用，其结构如图1所示。图1中灰色部分为金属导体，上面是宽度为w的导体带，下面为接地板;中间空白部分是厚度为h，相对介电常数为εr的介质材料。以εr=9.6，h=0.8mm，w=0.79mm的介质材料为例，利用电磁仿真软件对该结构进行仿真计算，端口为50Ω，得到的S曲线如图2所示。学生在利用电磁仿真软件做该设计分析时，还可以改变w参数的值，去观察相关特性的变化。当把导体带的宽度w变为0.2mm时，得到的S曲线如图3所示。从图3可以看出，此时S参数发生了变化。此外，还可以考虑加入介质损耗角正切来进行仿真分析，观察相关特性的变化，若在w=0.79mm的情况下，加入介质损耗角正切tanδ=0.2时，得到的S曲线如图4所示。由以上仿真结果可以看到，当改变微带线的相关参数时，其S曲线会发生相应的变化。在教学中，可以让学生利用电磁仿真软件对微带线做相关的仿真计算，并分析得到的结果，加深学生对微带线电磁特性的理解。将电磁仿真软件应用于电磁场与微波技术的教学中，不仅可以帮助学生更好的掌握电磁场与微波技术的基础理论，还可以培养学生的创新能力。

参考文献：

[1]黄玉兰.电磁场与微波技术（第二版）[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2]李明洋，刘敏.HFSS电磁仿真设计从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[3]李明洋.HFSS天线设计（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2014.

[4]冯新宇，寇晓静.ADS射频电路设计与仿真入门及应用实例[M].北京：电子工业出版社，2014.

[5]金明涛.CST天线仿真与工程设计[M].北京：电子工业出版社，2014.

[6]周雪芳，钱胜.仿真软件在《微波技术与天线》实验中的应用[J].实验科学与技术，2013，11（3）.

[7]贾建科，聂翔，韩团军.微波技术课程实践教学改革的探索[J].中国电力教育，2012，（05）.endprint