基于AnsoftHFSS的电磁场与电磁波课程图示化教学.pdf

第 19 卷第 1 期 2012年 2 月 东 莞 理 工 学 院 学 报 JOURNAL OF DONGGUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol． 19 No． 1 Feb． 2012 收稿日期: 2010 － 09 － 28 作者简介: 赖颖昕 ( 1983—) ，男，江西瑞金人，讲师，博士，主要从事通信电路及微波器件研究。 基于 Ansoft HFSS 的电磁场与电磁波课程图示化教学 赖颖昕 ( 东莞理工学院 电子工程学院，广东东莞 523808) 摘要: 为解决电磁场与电磁波课程理论性强、概念抽象的特点给课程教学带来的问题，以课程中电磁辐 射部分内容为实例，展示了基于电磁仿真软件 Ansoft HFSS 的图示化教学模式。实践表明，利用 Ansoft HFSS 对电磁问题进行模拟并实现结果的可视化，能够帮助学生加深对相关理论及概念的理解，达到提高教学效果 的目的。 关键词: 电磁场与电磁波; 对称天线; 天线阵; Ansoft HFSS 软件 中图分类号: TP311 文献标识码: A 文章编号: 1009 － 0312 ( 2012) 01 － 0104 － 05 电磁场与电磁波课程是电子信息类专业一门重要的专业基础课，主要介绍电磁场与电磁波的基本特 性、运动规律以及相关的工程应用，是移动通信、射频电路设计、微波技术与天线等后续课程的重要基 础［1］。随着电磁理论及技术在信息科学等领域的应用日益深入，电磁场与电磁波的基本性质、分析方 法及其应用技术已成为从事射频电路设计、微波通信系统设计以及电磁兼容研究等工作的技术人员所必 须了解和掌握的基本知识。因此，该课程是工科电子通信类本科生必备的知识体系中重要的组成部分。 然而，电磁场与电磁波课程是一门理论性很强的课程，涉及到很多繁琐的公式推导和计算，另外电 磁场和电磁波本身又都是不可见和不可及的，很多概念的理解都需要进行抽象的想象，这就要求学生不 但要具有扎实的数学功底，而且还要具备较强的抽象思维能力和空间想象能力，给该课程的教与学带来 相当的难度。如何将电磁场与电磁波课程中理论问题实际化、抽象的概念和现象形象化，增强学生对电 磁场与电磁波问题的直观认识，成为广大教师普遍关心的问题［2 － 3］。 Ansoft HFSS 是一款基于有限元方法的三维结构电磁场仿真软件，具备任意形状三维无源结构的全 波电磁场分析求解能力以及功能强大的数据处理能力，目前在微波器件、电真空器件以及天线的设计开 发中得到了广泛的应用［4］。在电磁场电磁波的教学环节中，引入 Ansoft HFSS 对相关的电磁问题及现象 进行模拟并实现结果的可视化，能够形象地展示电磁场与电磁波的空间分布及其动态变化，从而加强学 生对理论问题的理解及对电磁现象的认知能力。本文介绍笔者在该课程的教学过程中，采用的基于 An- soft HFSS 的图示化教学模式。 1 电磁场与电磁波课程图示化教学实例 在电磁场与电磁波课程内容体系中，电磁辐射部分的内容作为后续天线与电波传播课程的基础，其 重要性是不言而喻的。然而在目前电磁场与电磁波课程学时普遍减少到 56 学时，甚至 48 学时的情况 下，安排在教材最后的电磁辐射内容所能分配到的教学时间非常的紧凑，且该部分内容主要是在理论基 础上引出的天线辐射特性，学生在短时间的理论讲授下，普遍感到没有实感，难以建立起天线辐射强弱 的三维空间图像，在很大程度上影响了该部分内容的教学效果。下面以该部分内容中一些典型问题为 例，讨论如何借助 Ansoft HFSS 来对天线的辐射场方向性进行仿真，将仿真所得的图示结果与书中的理 论相结合，促进学生对该部分知识的理解。 1. 1 对称天线辐射仿真 对称天线是一种应用广泛的基本线形天线，它在通信、广播、雷达、导航等无线电设备中，既可以 DOI:10.16002/j.cnki2012.01.006 第 1 期 赖颖昕: 基于 Ansoft HFSS 的电磁场与电磁波课程图示化教学 105 作为单元天线单独使用，也可以作为阵列天线的组成单元。由于对称天线结构简单，在电磁辐射部分的 教学过程中常常以之为基础讨论天线的辐射特性。 利用 Ansoft HFSS 建立的对称天线模型如图 1，其中对称天线的单臂长度 l = 150 mm，直径 a = 4 mm。在设置辐射边界 ( radiating boundary) 以及对称天线中间的集总端口 ( Lumped port) 激励后，通 过快速扫频 ( Fast sweep) 求解器可以得到该对称天线的反射率系数与工作频率的变化关系如图 2。从 图中可以看出对称天线的工作频率 f = 458. 4 MHz，在此频率处对称天线总长度与波长 λ 之间满足 2l ≈