電磁場與電磁波仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

郭 瑜 虞致國

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

當(dāng)前，無線通信系統(tǒng)不論是通信、雷達(dá)、電視、廣播，還是導(dǎo)航、遙控遙測，都是通過電磁波傳遞信息來進(jìn)行工作的。電磁場與電磁波的基礎(chǔ)理論、計(jì)算方法與其應(yīng)用是成為信息技術(shù)專業(yè)人員所需掌握的基礎(chǔ)技術(shù)之一，已成為各大高校電子信息工程類與電氣信息類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程[1]。該課程設(shè)置的主要目的是通過對電磁現(xiàn)象的講授，使學(xué)生基本掌握電磁場與電磁波領(lǐng)域所涉及的基本理論、基本計(jì)算方法與應(yīng)用，具備一定的分析和解決基本的電磁工程問題的能力，為以后課程學(xué)習(xí)與工作奠定一定的基礎(chǔ)。

電磁場與電磁波是一門重點(diǎn)課程，同時也是一門難點(diǎn)課程，對于這門課程的教授與學(xué)習(xí)主要有以下的特點(diǎn)：(1) 理論性強(qiáng)，計(jì)算繁瑣。對于電磁場問題的分析與求解涉及許多高等物理與高等數(shù)學(xué)的問題，例如麥克斯韋方程組與達(dá)朗貝爾方程的推導(dǎo)與法拉第電磁感應(yīng)定律、海姆霍夫定理與坡印廷定律等定理的理解等問題，都需要學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識與較好的數(shù)學(xué)計(jì)算與推導(dǎo)能力[2]。(2) 概念抽象。電磁場與電磁波具有復(fù)雜的空間分布，且具有不可見與不可感知的特點(diǎn)，對其傳播特性與工作狀態(tài)等很難理解與掌握；而且對其分析引入了虛空間的概念，對于習(xí)慣于三維空間思維的學(xué)生，就進(jìn)一步增加了理解的難度。(3) 時空分布復(fù)雜。電磁場的分布與電磁波的傳導(dǎo)是動態(tài)變化的，傳統(tǒng)的理論推導(dǎo)與繪圖很難體現(xiàn)其動態(tài)特性。

由于電磁場與電磁波具有以上的特點(diǎn)，因此，對該課程的教學(xué)一直是各大高校研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法側(cè)重于理論的推導(dǎo)與數(shù)學(xué)計(jì)算，加之實(shí)驗(yàn)設(shè)備價格較為昂貴，極大增加了教學(xué)的難度，不利于學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)與掌握。隨著現(xiàn)代教學(xué)理念的提升與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)方法更加多樣化與多元化，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)成為現(xiàn)代教學(xué)的重要組成部分[3-4]。

高頻電磁仿真設(shè)計(jì)軟件HFSS(High Frequency Simulator Structure)是美國Ansoft公司開發(fā)的全波三維電磁仿真軟件，其功能強(qiáng)大、界面友好、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)與分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。將HFSS應(yīng)用于電磁場與電磁波的教學(xué)過程中，憑其強(qiáng)大的計(jì)算與分析能力，可以形象準(zhǔn)確地展示出電磁場與電磁波的三維空間分布情況，而且憑借其動態(tài)演示功能可以形象演示電磁場與電磁波的動態(tài)傳播過程，有助于增強(qiáng)學(xué)生對抽象知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，大大改善教學(xué)效果[5-6]。HFSS具有自動化的設(shè)計(jì)流程，操作簡單，易學(xué)易用，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1 HFSS軟件仿真實(shí)例

1.1 矩形波導(dǎo)中電磁波的傳播

波導(dǎo)是最常見的微波傳輸線之一，由于其結(jié)構(gòu)簡單、無輻射損耗和外界干擾、擊穿強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在微波頻段得到了廣泛應(yīng)用[7]。矩形波導(dǎo)是橫截面為矩形的理想規(guī)則波導(dǎo)。其橫截面的幾何結(jié)構(gòu)、壁結(jié)構(gòu)和填充媒質(zhì)在軸向都不改變，且波導(dǎo)壁是理想的導(dǎo)體，填充物是理想介質(zhì)，如圖1所示。

圖1 矩形波導(dǎo)示意

利用高頻電磁仿真軟件對矩形波導(dǎo)管進(jìn)行仿真，可以具體闡述TE波是怎么在矩形波導(dǎo)管中傳播的。

TE波是橫電波(Transverse electric Wave)，電場有橫向分量、無縱向分量，磁場卻有縱向和橫向分量。根據(jù)電磁場有關(guān)理論，TE波的分量方程：

Ez=0

(1)

exp(jωt-rz)

(2)

exp(jωt-rz)

(3)

(4)

exp(jωt-rz)

(5)

exp(jωt-rz)

(6)

選擇一定的a、b，便可決定不同的波形。設(shè)置矩形波導(dǎo)的尺寸為25 mm×12 mm×50 mm，中心工作頻率為10 GHz，計(jì)算得：此時只能傳播TE10模。

該TE10模的相位常數(shù)為:

(7)

波導(dǎo)波長:

39.75 mm

(8)

TE10模的相速:

(9)

TE10模的波阻抗:

(10)

利用HFSS軟件對TE10模進(jìn)行仿真分析，其電磁場分布，如圖2-5所示。

圖2 電場幅度分布

圖3 磁場幅度分布

圖4 電場矢量分布

(1)由圖2和圖3可知，電場幅值Y分量在寬壁中間最大，磁場幅值X分量在寬壁中間最大。由圖4和圖5可知，電場和磁場沿Z軸每隔半個波長反向。電場只有Y分量，磁場只有X、Z分量，且磁場線閉合。

1.2 微帶線中電磁場的傳播

微帶線，是一種常見的適合制作微波集成電路的平面結(jié)構(gòu)傳輸線。微帶線是一種帶狀導(dǎo)線，與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開，其另一面直接接觸空氣，只有一個地平面作為參考層面[7]，如圖6所示。微帶線的幾何結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是它的電場和磁場卻相當(dāng)復(fù)雜，在微帶線上傳輸?shù)牟⒉皇菄?yán)格的TEM波，而是準(zhǔn)TEM波。由于介質(zhì)基片的存在，場的能量主要集中在基片區(qū)域，其場分布與TEM波非常接近，故稱為準(zhǔn)TEM波。

圖6 微帶線結(jié)構(gòu)

利用仿真軟件HFSS對其進(jìn)行仿真，繪出其電磁場的分布圖，并對其進(jìn)行分析。

圖7 電場分布

圖8 磁場分布

(1)由圖7與圖8可以看出，微帶線中電磁場通過傳輸線進(jìn)行傳播，能量由中心到兩邊逐漸減小。

(2)由圖9與圖10可以看出，電磁場在傳輸線中是通過電場與磁場的相互耦合的方式傳播的。電場與磁場都是入射波與反射板的合成波，是一行駐波。由于仿真的微帶傳輸線材料為銅，相當(dāng)于一個阻抗負(fù)載，部分電磁場能力會被負(fù)載所反射，從而產(chǎn)生反射波而形成行駐波。

圖9 電場矢量分布

圖10 磁場矢量分布

1.3 共面波導(dǎo)中電磁場的傳播

在介質(zhì)基片的一個面上制作出中心導(dǎo)體帶，并在緊鄰中心導(dǎo)體帶的兩側(cè)制作出導(dǎo)體平面，這樣就構(gòu)成了共面波導(dǎo)(CPW)，又叫共面微帶傳輸線，如圖11所示。

圖11 共面微帶傳輸線

共面波導(dǎo)與微帶線都是常見的微帶傳輸線，其具有質(zhì)量小、體積小、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，且便于與微波集成電路相連接，并能構(gòu)成各種用途的微波元件，因此得到了廣泛的應(yīng)用。共面波導(dǎo)由于其尺寸小、色散低、損耗高、耦合弱、設(shè)計(jì)可行性好(不需要打孔，地板和信號帶線共面)的優(yōu)點(diǎn)，在頻率很高的微波集成電路中有很大的優(yōu)勢。

利用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款二階帶通濾波器，如圖12、圖13所示。

圖12 CPW帶通濾波器三維結(jié)構(gòu)

圖13 S11與S21參數(shù)曲線

該濾波器呈對稱結(jié)構(gòu)，由頂層金屬板、底層金屬板與中間介質(zhì)層組成，頂層金屬板與底層金屬板材料為銅，介質(zhì)材料為陶瓷材料MC45。共面波導(dǎo)傳輸線設(shè)計(jì)在頂層金屬板上，采用槽線環(huán)形開路與共面波導(dǎo)短路的方式，實(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo)到槽線的轉(zhuǎn)換。利用仿真軟件HFSS對其進(jìn)行仿真，得到S11與S21參數(shù)曲線。

該結(jié)構(gòu)的工作頻率為3.82 GHz到8.04 GHz，插入損耗在1 dB以內(nèi)，回波損耗大于10 dB。

2 結(jié)語

將電磁仿真軟件HFSS應(yīng)用于電磁場與電磁波課程的教學(xué)當(dāng)中，憑借其強(qiáng)大的計(jì)算與分析能力，可以將抽象難懂的電磁學(xué)形象化，生動形象地展示電磁場與電磁波的分布情況與動態(tài)的傳播過程，并且可以利用其強(qiáng)大的功能計(jì)算出一些基本的參數(shù)。這不僅可以激發(fā)學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，彌補(bǔ)部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，大大改善課堂教學(xué)效果；還可以通過對該微波仿真軟件的演示與使用，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與動手能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

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