“電磁場與電磁波”的可視化教學(xué)研究與實踐

1、“電磁場與電磁波”的可視化教學(xué)研究與實踐“電磁場與電磁波”是電子信息、通信工程類的學(xué)生掌握了高等數(shù)學(xué)、物理、電學(xué)等課程知識后而開設(shè)必修課程。該課程通過利用數(shù)學(xué)中的標(biāo)量、矢量、場論、微積分、偏微積分等知識來解決電磁場傳播所涉的物理問題、物理規(guī)律，知識面廣，對高等數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用能力要求高。在電磁場與電磁波的教學(xué)中，知識體系理論性強(qiáng)，抽象難懂，學(xué)生難以有直觀的視覺體驗，“學(xué)生難學(xué)，教師難教”是普遍現(xiàn)象；如何有效改善提高課堂的教學(xué)效果，有著很好的探討價值。一、電磁現(xiàn)象的簡單可視化及計算電磁場與電磁波課程中有很多概念，這些概念一般是通過數(shù)學(xué)表達(dá)式加以描述，缺乏直觀的實例，使得學(xué)生對概念的理解不透。為了達(dá)

2、到更好的教學(xué)效果，幫助學(xué)生加深理解“場”與“波”的概念，促使他們不斷深入學(xué)習(xí)，針對相關(guān)知識點，利用Matlab 和 HFSS軟件，引導(dǎo)學(xué)生一起分析、編程、仿真，得可視化結(jié)果，有助于學(xué)生建立對抽象的“場”與“波”的認(rèn)識。1. 均勻平面電磁波傳播橫電磁波（ TEM波）是由正交的電場與傳播方向構(gòu)成兩兩正交。設(shè)TEM波沿E 和磁場 H 組成， z 軸方向傳播，其電磁場強(qiáng)度各點具有相同的振幅和振動方向，在同一個位置有著相同的相位，本征阻抗 =/ ，而波數(shù) k= / 。在自由空間中固定的某個時刻t ，電場與磁場交替以正弦波的形式前行的方式，根據(jù)坡印廷矢量定理，其能流密度為S=E×H。2. 傳輸線

3、參數(shù)計算傳輸線用傳輸雙線來描述，在分析無耗傳輸線時必須考慮交界處的參數(shù)。如存在不同特征阻抗的多段連結(jié)線的情形，可以利用 Matlab 軟件動態(tài)演示得到行波場強(qiáng)、回波場強(qiáng)、每段傳輸線上的場分量等結(jié)果，同時通過軟件描述各段傳輸線參數(shù)，描述了 3 段長度分別為 0.5m 的不同特征的傳輸線端接處的波阻抗、波長、傳播常數(shù)等參數(shù)。二、利用 Ansoft HFSS 軟件模擬天線天線是各類無線通信中關(guān)鍵部件。描述天線的參數(shù)較多，如增益、效率等。利用 HFSS軟件，在課堂上設(shè)計最簡單的半波對稱天線。 假設(shè)天線沿 Z 軸放置，工作中心頻率為 960MHz 的陣子天線（ UHF射頻用天線），波長為 312.5mm

4、，兩臂間隙為 0.24mm，天線臂長度為 1/4 波長，圓柱形天線的半徑為波長的 1%。根據(jù)半波天線的輻射功率計算公式（2）：Pr=sSavdS=36.54I2 （ W） （2）得出其輻射電阻Rr：Rr=2Pr I2=73.1 （ 3）材質(zhì)為理想電導(dǎo)體，天線模型建立后，設(shè)置輻射邊界和集總端口激勵，經(jīng)過模型檢測后，通過綜合計算完成后，便可求解天線的反射系數(shù)S（ 1，1），駐波比（ VSWR）等。 HFSS具備包括回波損耗、駐波比、 Smith 圓圖、阻抗、增益等各項性能參數(shù)分析的功能。特別是在定義了遠(yuǎn)場輻射表面參數(shù)后，可以查看遠(yuǎn)區(qū)場的三維增益輻射效果， 引入 HFSS軟件，對電磁輻射現(xiàn)象進(jìn)行建模

5、和求解并可視化結(jié)果，激發(fā)了學(xué)生對電磁場與電磁波學(xué)習(xí)的興趣，改善教學(xué)效果，同時能有效地引導(dǎo)他們對電磁現(xiàn)象進(jìn)一步的探索與分析。傳統(tǒng)的電磁場與波的課堂教學(xué)一般偏重于理論介紹，由于缺乏有效的實驗設(shè)備而忽視了實驗教學(xué)，學(xué)生感到其沒有應(yīng)用的地方。針對電磁場、電磁波的傳播現(xiàn)象、電磁場的計算等方面進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真，在課堂上理論推演的同時，結(jié)合 Matlab 軟件，在課堂上演示相關(guān)的物理現(xiàn)象，將抽象復(fù)雜的場的概念轉(zhuǎn)化為直觀的演示圖像。通過Matlab 軟件計算及描繪電磁波傳播、電場分布、磁場分布、電勢分布等物理現(xiàn)象，并對傳輸線端接參數(shù)進(jìn)行計算，將這類物理現(xiàn)象問題數(shù)字化、形象化；利用HFSS軟件設(shè)計對稱振子天線，