Comsol仿真软件在“电磁兼容”课程实验中的应用

白洁　陈玉　孔忻

[摘 要] 随着电子产品中的电磁兼容问题越来越受到关注，“电磁兼容”理论已成为电气技术人员必备的专业基础知识，也是测控专业的学生不可或缺的能力之一。针对“电磁兼容”理论中概念抽象、公式多、学生理解困难等问题，通过优化实验内容，采取基于问题需求牵引式、互动式的教学方式，将Comsol仿真软件引入学生的实验中去。以“飞机天线串扰电磁兼容仿真实验”设计为例，说明将仿真软件用于电磁兼容课程实验的全过程。结果表明，该实验方式从多角度综合考虑了电磁兼容性的问题，有利于培养学生的理论知识，以及分析问题、解决问题的能力。

[关键词] 电磁兼容;Comsol仿真软件;飞机天线串扰学生

[基金项目] 2020年度西安交通大学教学改革研究与实践项目“测控技术与仪器专业（电）培养新模式——以项目为牵引，增强感性认识，培养系统观念，提高创新与项目管理能力”（2020-36）

[作者简介] 白 洁（1968—），女，陕西西安人，硕士，西安交通大學电气工程学院高级工程师，主要从事智能仪器和虚拟仪器技术等研究;陈 玉（1977—），男，陕西西安人，博士，西安交通大学电气工程学院副教授，主要从事电力设备在线监测与故障诊断技术和特殊环境下的测试技术等研究;孔 忻（1965—），男，陕西西安人，学士，西安交通大学电气工程学院工程师，主要从事传感器仪器和虚拟仪器技术等研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）11-0145-04 [收稿日期] 2021-08-17

引言

随着科学技术和工业水平的迅速发展，电气、电子设备的日益广泛应用，电磁干扰已成为不可忽视的问题之一，其轻则导致电器产品性能下降，重则造成严重事故，损失无法估量。现在国际、国内广泛实施的电磁兼容（EMC）标准对电气和电子产品的电磁兼容性提出了强制性要求，因此电磁兼容理论既是电气技术人员必备的专业基础知识，也是测控专业的学生不可或缺的能力之一。它通过对电磁干扰源、干扰信号的耦合机理和受扰设备的敏感机理分析，使学生掌握了EMC的基本设计方法[1]，但该课程内容抽象庞杂、工程实践性强和知识更新快，教师讲授难度大，学生理解也困难，因此实验是学生理解理论知识的最有效手段，但电磁兼容实验设备比较昂贵，特别是在复杂环境下的电磁兼容实验成本更高，调试难度更大，实操存在一定的危险性。如果采用仿真实验的形式，虚实结合，模拟实验环境和实验对象，可以将抽象的理论以图文并茂的形式展现在学生面前，方便学生理解。Comsol是一款功能强大的多物理场仿真软件，用于仿真模拟工程、制造和科研等各个领域的设计、设备及过程，轻松实现建模流程的各个环节，可用来分析电磁学、结构力学、声学、流体流动、传热和化工等众多领域的实际工程问题[2]。它资源丰富，建模方便，学生容易上手。

在面向新工科的未来工程教育培养理念下，强调面向复杂工程问题的实践能力培养，在教学过程中融入一些科研项目中的案例，采用以问题为导向的自主式和探究式教学法，调动学生参与实验的积极性。因此，我们在“电磁兼容”课程的实验中引进了Comsol仿真软件，引导学生自行设计仿真实验，还原课堂教学的理论知识，加深理解，既调动了学生参与设计实验的兴趣，又提升了学生的工程能力和工程素质。

一、实验教学改革的目标及设计思路

通过学生自主设计“电磁兼容”课程的仿真实验，更好地理解电磁兼容理论的相关知识，掌握电磁兼容的基本设计方法，能够举一反三、学以致用，初步培养学生的工程意识和能力，为后续学习和工作打下一定的基础。

“电磁兼容”课程公式多、概念抽象，学生不容易理解。学生有畏难情绪，学习兴趣不高，阻碍了学习的积极性，所以我们采取主动和被动双管齐下的方式，鼓励学生认真学习。主动是指结合当前的热点问题选取学生感兴趣的内容，设计仿真实验，激发学生探索未知问题的积极性，同时优化实验方法，采用基于问题的需求牵引式教学方法，让学生以解决问题的心态完成实验内容。被动是指采用实验设计过程考核的方式督促学生认真思考，努力解决问题，获得好的成绩。

（一）将抽象的理论形象化，精心设计学生感兴趣的实验

“电磁兼容”课程理论抽象，不容易理解，因此我们在设计实验时就要想办法将学生不易掌握的抽象理论转化为形象化和具体化的事物。那应该选择哪些仿真实验呢？通过对学生的问卷调查和教师在讲课过程中学生的反馈，我们认为设计的仿真实验应具有工程实践背景、学生感兴趣、可操作性强等特点。在教学过程中融入一些科研项目中的案例[3]，比如：在讲解“天线布局原则、隔离度的概念以及干扰分析”这个概念时，选用了学生感兴趣的飞机上天线串扰的问题，利用仿真实验的形式，引导学生自己建模，设计相关参数，比较天线在不同位置上的串扰，通过定量分析，使抽象的电磁场形象化。同时，学生学习了软件建模方法，对今后走向工作岗位大有益处。

（二）优化实验教学方法，采取基于问题的需求牵引式、互动式教学方法

实验以问题引出，引导学生带着问题进行有目的的仿真分析，自主构建模型，计算相关参数，判断其是否符合要求，能否解决问题，以达到模型的最优化。该方法具有开放性和拓展性的优点，学生可根据自己的意愿和能力不断探索，深入研究不同参数对建模结果的影响，提高解决问题的能力及创新思维的能力。在实验过程中，教师可与学生进行讨论，掌握选择最优和最经济的实验方案，更准确地模拟工业现场的需求。

（三）采取层层推进的考核方法，督促学生完成实验内容

把整个实验内容分为几个部分，各个部分内容环环相扣，逐步推进，促使学生要不断解决问题，才能完成整个实验。

二、实验改革内容和实施路径

（一）实验改革内容

我们精心设计了一批仿真实验，学生可在其中选两项来完成，下面我们以“飞机天线串扰电磁兼容仿真实验”为例，说明仿真实验的具体实施方法和步骤。该实验主要是为了学生理解知识点“天线布局原则、隔离度的概念以及干扰分析”的内容而设计的。“飞机天线”对学生来说既是陌生的又是感兴趣的话题，因为有兴趣，学生愿意进一步学习，这可以加深学生对概念的理解，有利于培养学生分析问题和解决问题的能力。

机载天线的电磁兼容性分析比较复杂，需要综合考虑。通过对机载天线的分析，它应具有这样的特点：一是飞机机身上分布着大量的天线，工作频段相互重叠，这就导致的发射天线和接收天线之间的串扰问题，并尤为突出;二是飞机机身有限，上面安装着大量的电子设备，这也造成了相互的干扰[4];三是在飞机机身上不允许做过多的破坏性实验，因此在设计飞机的电子设备之前，必须对其电磁兼容性进行仿真分析，确定最优化参数。学生也可以通过这样的学习对“天线布局原则、隔离度计算”有深刻的理解和掌握。

（二）实验教学方法

本项目将问题驱动、自主设计式和探究式等教学方法相融合，实施方法如图1所示。

在“机载天线串扰”的实验中，首先向学生提出“天线安装在什么位置上合适”的问题，带着这个问题，学生就会考虑如何判断天线的位置是否合适，这就需要从原理出发，掌握“天线方向图及隔离度的计算方法”。下一步学生就要进行自主设计，对飞机和天线建模采用探究式的学习方法，分析天线安装位置对天线的串扰，从而判断出天线的最佳安装位置，加深对课堂学到的“天线布局原则、隔离度的概念以及干扰分析”等知识的理解和掌握，引导学生自主思考，提升实验教学效果。该实验内容既可向深度和广度进行扩展，也可作为学生的创新实验，提高了学生分析问题和解决问题的能力。

（三）实施步骤

在仿真实验中，首先设计飞机和天线的数学模型，再考虑将天线分别安排在机身和尾翼的不同位置时天线间的相互影响。学生可自行设计，计算隔离度，探究天线安排的原则和方法。

1.仿真问题描述。飞机上天线串扰是一个比较复杂的问题，涉及的概念和原理也比较多，为了便于学生理解，首先将问题简化，具体描述为飞机需要安装两根天线，一根为发射天线，安置在飞机机身上面，要求学生确定接收天线是否安装的合适，如果位置不合理，就会导致发射天线和接收天线间的串扰。假定机身顶部有一根发射天线，另一根接收天线位于机身底部的位置，将其位置从后侧移到前侧，分析干扰量的大小，如图2所示，YZ平面上以分贝为单位的电场模。

2.关键参数分析。天线在不同位置时的相互干扰量可以根据隔离度S这个参数来定量描述;S表示发射天线对接收天线的影响，数值越大越好;S表示接收天线对发射天线的影响，数值越小越好。

3.设计步骤。Comsol仿真软件中的示例丰富、讲解详细，学生首先花4个学时进行Comsol软件平台的学习，了解该平台的使用方法和设计流程。其次在其例程库中找到“飞机机身上的天线串扰仿真”示例，修改相关参数，计算获得仿真結果。Comsol设计流程包括：（1）搭建环境：选择合适的几何环境，搭建飞机模型;（2）物理场选择：电抗近场和辐射远场;（3）几何模型的材料选择;（4）仿真与结果。最后进行计算，得到仿真结果，可根据需求绘制不同的图，方便观察。如图3所示，天线在不同位置时干扰量S11和S21的值。

当接收天线位于机身的不同位置时，通过S和S的数值看出，S数值很接近，说明接收天线的三种放置位置对发射天线影响不大;S数值略有不同，当接收天线位于机尾即机身后侧时，S值最大，其对发射天线的串扰影响最小，综合S和S的数值得出，接收天线安装在机尾位置最优。

结语

以“机载天线间的串扰”为实践背景，采取基于问题的需求牵引式、互动式教学方法，引导学生根据实验目标设计仿真实验，探索各参数之间的相互影响，进行电磁辐射的结构设计和定量计算，可快速、直观地发现设计的缺陷，调整参数进一步优化模型，多角度提高学生对电磁环境的认知，逐步培养学生的工程设计与研发能力，加强对学生分析问题和解决问题能力的培养。

参考文献

[1]雷绍兰，刘述喜，杨佳，等.“电磁兼容理论”教学改革探索与实践[J].中国电力教育，2010（6）：118-119.

[2]高若尧.柔性热释电-压电传感器结构仿真及信号调理电路设计[D].成都：电子科技大学，2019.

[3]沈瑶，赵彦珍，高昕悦，等.节点电压法的编程实现及其拓展应用教学设计与实施[J].实验科学与技术，2020，18（6）：107-112.

[4]李东超.机载天线的电磁兼容性分析[D].西安：西安电子科技大学，2011.

Application of Comsol Simulation Software in the Course Experiment of

Electromagnetic Compatibility

BAI Jie， CHEN Yu， KONG Xin

（School of Electrical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an， Shaanxi 710049， China）

Abstract： With the increasing attention to the problem of electromagnetic compatibility in electronic products， Electromagnetic Compatibility theory has become a necessary professional basic knowledge for electrical technicians， and it is also one of the indispensable abilities of students majoring in measurement and control. Aiming at the problems of abstract concepts， many formulas and difficult understanding of students in the Electromagnetic Compatibility theory， COMSOL simulation software is introduced into students’ experiments by optimizing the experimental content and adopting the traction and interactive teaching method based on problem needs. Taking the design of “aircraft antenna crosstalk electromagnetic compatibility simulation experiment” as an example， this paper explains the whole process of applying the simulation software to the course experiment of Electromagnetic Compatibility. The results show that the experimental method comprehensively considers the problem of electromagnetic compatibility from multiple angles， which is conducive to training students’ theoretical knowledge and the ability to analyze and solve problems.

Key words： Electromagnetic Compatibility; Comsol simulation software; aircraft antenna crosstalk