電磁場與電磁波教學中的HFSS軟件應用與仿真

何 艷，劉繼斌，劉 燚

（國防科技大學電子科學學院，湖南 長沙 410073）

0 引言

電磁場與電磁波課程是電子信息與通信等專業的必修課程,也是學習微波技術與天線的基礎。該課程但課程本身比較抽象,是一門比較難學的課程。雖然傳統的實驗對電磁場和電波傳播性質的理解有一定幫助，但是對時變電磁場中電場和磁場之間的動態變化及相互關系仍然難以具象化。特別是對封閉區域內的導行電磁波工作在不同模式時的電場和磁場分布難以理解。為了解決這一問題，并且提高教學質量，須引入可視化的教學手段。隨著計算機仿真技術的迅速發展，基于Matlab、Mathematica、HFSS等軟件的繪制與仿真在教學中應用越來越廣，仿真電磁場分布圖形與逼真的電磁場動畫，可以給學生更加直接的認知，從而促進學生的學習熱情，提升了教學效果[1-5]。

1 “電磁場與電磁波”課程的教學現狀分析

1.1 授課內容信息量大

我們的“電磁場與電磁波”課程涉及的知識點包括場論、靜態電磁場、時變電磁場和平面電磁波、電磁波輻射、電磁能量、電磁波在多種媒質間傳播、導行電磁波等內容，課程學時數只有為 56學時（52學時理論課+4學時實驗課）。由于學時緊張，每堂課信息量都較大，因此不可避免出現以老師講述為主的“滿堂灌”問題。

1.2 教學方法較單一

目前，課程大多采用PPT課件與黑板相結合的方式進行教學。一般來說，除了公式推導采用板書外，其他內容多采用課件。然而由于課件制作方式陳舊，課程資源較少，課件內容主要以文字和插圖為主，缺乏動畫等更直觀的演示，也較少引入如MOOC、微課、混合教學等更豐富的現代化教學手段。

1.3 內容抽象，學生學習興趣匱乏

“電磁場與電磁波”課程理論性很強，而場和波都看不見也摸不著，十分抽象。學生學起來很難理解，因此容易產生畏難情緒，缺乏學習興趣。雖然通過實驗教學可以加深理論課的理解，但是實驗課時有限，加之微波儀器昂貴，因此不能將很多教學內容納入實驗。而且即使學生在實驗室做實驗，由于感官上感受不到電磁波的存在，很多問題還是沒有具象感受。比如電磁波傳播過程中的極化規律、在不同媒質表面發生反射、折射的物理本質等很難理解。這是學習中存在的很大問題。

2 HFSS仿真及在可視化教學中的作用

針對上述現狀的第三點，可以通過增加可視化素材的方法來幫助學生理解抽象理論。實現可視化的方法大體可以分成三種。第一種是畫示意圖，這種方式是可視化方法中最簡單但是也最不直觀的一種，常應用于不太復雜的內容展示；第二種是根據電磁場的變化規律做出對應的flash動畫。這種方法相比于第一種靜態可視化，有了很大進步，可以給學生帶來視覺沖擊，提高學習興趣，幫助學生理解電磁場規律。但是這種方法缺乏細節的定量描述，不夠準確。第三種是根據實際電磁模型，直接在電磁仿真軟件或者數學計算軟件中得到實時電磁場仿真結果，并采用矢量動畫方式展示出來。本文主要采用 HFSS仿真軟件解決第二類可視化問題。HFSS（HighFrequency Structure Simulator）是Ansoft公司旗下針對電磁仿真的一款應用軟件。可以對天線、射頻微波電路等電磁結構進行電磁計算和全波仿真。在電磁場與電磁波教學中，我們可以先將教材中的實例通過HFSS軟件建立3D仿真模型，進行仿真分析，再將電場和磁場的分布及變化動態地展現出來,使同學們對原本抽象的理論加強理解,增強教學效果。這樣一方面可以幫助學生更快掌握書本知識，另一方面，可以拓寬學生的知識面，讓學生提前接觸工程問題，學會使用微波仿真軟件，為今后的學習、工作提前打好基礎，積累經驗，提高學生的創造力和綜合實踐能力。

圖2 TE10模磁場動畫截圖

3 HFSS仿真在矩形波導TE10 模式性質教學中的具體應用

由于矩形波導中TE10模式的電場、磁場的表達式為：

如果只通過上面的場的數學公式，學生無法建立“模式”這一概念，無法真正理解TE10模式場的結構。因此我們可以通過計算，在HFSS軟件中建立一個工作在TE10模式矩形波導模型，并仿真得到其工作時電場和磁場變化的動畫。圖1-圖3為矩形波導工作在TE10模式時內部的電場、磁場及波導壁上電流分布的仿真動畫的截圖結果。其中矢量箭頭表示電場，顏色越紅表示場越強，顏色越藍表示場越弱。

圖1 TE10模電場動畫截圖

圖3 TE10模管壁電流動畫截圖

通過以上動畫，同學們就能形象理解TE10模式的場結構特點，提高學習效率。

4 結論

在電磁場與電磁波的教學中利用HFSS進行可視化教學，能讓學生快速掌握抽象難懂的物理概念，提高課堂教學效果，并極大增強他們學習熱情和創新精神，培養學生們的工程實踐能力。