电磁场仿真软件在“微波技术”课程教学中的应用

李海英， 吴振森

(西安电子科技大学 物理与光电工程学院， 陕西 西安 710071)

电磁场仿真软件在“微波技术”课程教学中的应用

李海英， 吴振森

(西安电子科技大学 物理与光电工程学院， 陕西 西安 710071)

本文将三维电磁场仿真软件CST 微波工作室引入“微波技术”课程课堂教学。以负载阻抗单支节匹配和矩形波导为例，实现了微波结构工作性能可视化仿真。该实例表明，仿真软件在“微波技术”课程教学中具有良好的辅助作用，能够强化学生对器件性能的理解和掌握，提高教学质量；同时仿真软件的运用能够扩展学生的知识视野，增强学习兴趣。

微波技术；电磁场仿真软件；虚拟教学

0 引言

“微波技术”课程中有关传输线的工作状态分析、阻抗匹配方法、波导场结构和大量微波元器件性能等内容都非常抽象，而它们又恰好是微波电路设计的重要部分，因此如何在教学过程中使学生能够轻松理解和掌握这些知识点是主讲教师面临的一个重要问题[1]。在实验教学部分，实物实验有助于培养学生的动手实践能力，但存在设备价格昂贵，易损坏等缺点[2]。而虚拟仿真技术可以避免这些问题，计算机语言编程或者三维电磁场仿真软件能灵活地对微波器件性能进行分析并优化设计，具有良好的可视化、形象化等特点[3-5]。

本文将三维全波电磁场仿真软件CST微波工作室引入“微波技术”课堂教学，仿真分析了负载阻抗匹配和矩形波导工作特性，并尝试进行优化分析，为促进虚拟仿真技术在“微波技术”课程教学中的应用提供一定的参考[6]。

1 电磁场虚拟仿真软件

近几年，国内外大量的电磁场仿真软件在电磁场与微波技术领域广泛流行，如：CST，HFSS，FEKO等[6,7]。这类软件都是使用不同数值算法来求解电磁场和微波问题，具有效率高，精度符合需求等特点。通过将微波器件建立几何模型，选取合适的电磁场计算方法分析研究其性能指标，能形象地演示器件工作过程中电磁场的时空演化特征。这为理解和掌握微波技术中相关理论和器件性能，进而设计微波电路提供了重要的帮助。

CST 微波工作室是德国CST公司开发的针对高频电磁场问题的EDA工具，采用的是时域有限积分(Finite Integration)方法，是时域算法中的佼佼者，在计算时域、复杂结构和宽带问题上占有很大优势。本文将重点讨论该软件在微波技术课程教学中的应用。

2 教学实例

2.1 负载阻抗单支节匹配

负载阻抗匹配方法是在负载与传输线之间接入一个匹配网络，使其输入阻抗等于传输线的特性阻抗Z0。对匹配网络的基本要求是损耗小、频带宽、简易可行、可调节以达到匹配可变负载阻抗的目的。单支节以达到匹配一般是在传输线上距离负载d处并联长度为l的终端短路或开路的短截线而构成，如图1所示。

图1 并联单支节匹配电路

考虑特性阻抗为50 Ω的无耗传输线终端接ZL为25+j75 Ω负载，采用并联短路单支节匹配。设同轴线外径为7.98 mm，壳厚0.02 mm。内径为3.475 mm，建立如图2所示几何模型。由同轴线特性阻抗公式知Z0为49.8 Ω。按照CST软件引导，设置工作频率、激励端口、边界条件、负载阻抗、短路终端和监视器等参数，使用自适应网格加密方法，最大误差为2%进行分析[6]。图3给出了时域求解器计算的接了单枝节后的反射系数幅值随频率变化的曲线，其中Pass=1,2,3,4是指在达到目标结果前，自适应网格加密过程中所计算的次数。由图可知频率为1 GHz，反射系数最小，这与理论计算结果吻合较好。

图2 建立几何模型

图3 S11参数曲线

2.2 矩形波导主模场结构

波导导模的场结构是分析和研究波导问题、模式的激励，设计波导元件的基础和出发点。人们分别用电力线、磁力线分布的疏密程度和箭头方向描述波导内电磁场分布特点。

矩形波导主模TE10的场分量可表示为

(1)

其中μ是波导中填空材料的磁导率，ω是工作频率，a是波导宽边尺寸，β是传播常数。

以型号BJ-100波导为例，利用CST微波工作室对矩形波导的传输和截止模式工作时电磁场结构进行仿真分析。该型号波导的主模单模工作频率范围为8.2 GHz～12.5 GHz，截止频率为6.5 GHz，几何尺寸宽度为22.860 mm，高度为10.16 mm。图4-6分别给出了传输状态主模工作时电力线、磁力线和表面电流大小沿轴线的分布结构。

由图4-5中电力线和磁力线的分布特点，能清晰地看到波导在传输状态工作时电磁场的分布特征，其电场只有沿y轴方向分量，其他方向分量为零磁场分量y轴方向为零。图6给出了主模工作时表面电流的大小及其周期分布。

图4 主模传输时电力线沿轴线分布

图5 主模传输时磁力线沿轴线分布

图6 主模传输时表面电流大小沿轴向分布

当工作频率小于截止频率时，电场和磁场分别如图7和8所示，可以看出从端口1到端口2的信号衰减很大，很难继续传输。

图7 主模截止时电力线沿轴线方向的分布

图8 主模截止时磁力线沿轴线方向的分布

利用三维电磁场仿真软件CST微波工作室，除了可以静态地查看波导工作时的电磁场分布特点外，还可以进一步使用动画演示功能模拟电磁场分布随时间和空间的演化特征。这对学生形象地理解和掌握波导工作特性具有重要的帮助。

3 结语

本文提出将三维电磁场仿真软件CST微波工作室引入到“微波技术”课程教学中，把理论知识教学和虚拟仿真技术充分结合，利用CST微波工作室将难以理解的概念，性质进行仿真分析，并用三维动态演示。这种方式可以提高学生的学习兴趣，增加课堂信息量，有效提高课堂教学质量。同时可以鼓励有兴趣的学生尝试深入学习电磁场和微波技术工程领域中其它的三维电磁场仿真软件，培养学生独立解决相关器件或电路问题的能力。

[1] 廖承恩，微波技术基础[M]，西安：西安电子科技大学出版社，1994。

[2] 洪韬，赵京城，刁为民，微波器件与电路实验课程设计[J]，河北：教育教学论坛，No.14，PP：242-243，2015。

[3] 刘亮元，贺达江，电磁场与电磁波仿真实验教学[J]，上海：实验室研究与探索，Vol.29，No.5，PP: 30-32，2010。

[4] 许峰，李先允，杨志超，陈刚，王书征，Simulink辅助“电力电子技术”教学的实践[J]，南京：电气电子教学学报，Vol.35，No.2 PP:115-117，2013。

[5] 李虎，梅中磊，丁光泽，张晓萍，“微波技术”课程中计算机绘制电场线的探讨与分析[J]，兰州：高等理科教育，No.5，PP：87-89，2007。

[6] 张敏， CST微波工作室用户全书[M]，成都：电子科技大学出版社，2004。

Application of Electromagnetic Field Simulation Software on Microwave Technology Course Teaching

LI Hai-ying, WU Zhen-sen

(SchoolofPhysicsandOptoelectronicEngineering,XidianUniversity,Xi′an710071,China)

According to the characteristics of microwave technology, such as abstract concept, strong theory, and difficult to understand, the 3D electromagnetic field simulation software CST microwave studio is introduced to classroom teaching in this paper. Taking load impedance matching and rectangular waveguide for examples, the visual simulation of microwave structure properties are developed. Through these examples, it is indicated that simulation software has a good supporting role in microwave technology course, can enhance understanding and mastering of students to microwave device, and improve teaching quality. Meanwhile, the use of simulation software can also extend knowledge horizons of students, and enhance interest in learning.

microwave technology; electromagnetic field simulation software; virtual teaching

2015-06-18;

2015-10- 12

李海英(1982-)，女，博士，副教授，主要从事微波技术的教学和复杂环境中电磁波传播特性研究，E-mail:lihy@xidian.edu.cn

A

1008-0686(2016)02-0143-03