Ansoft在“電磁場與電磁波”教學(xué)中的應(yīng)用

楊俊秀　趙文來　鮑佳

摘要：在“電磁場與電磁波”教學(xué)過程中，引入Ansoft工程電磁場有限元分析軟件有一定的意義。首先，結(jié)合靜電場邊值問題的拉普拉斯方程求解，基于Maxwell 2D繪出了滿足一定條件的矩形接地金屬槽內(nèi)空間等勢線的分布；而后，由達朗貝爾方程的解及無方向性天線輻射功率，基于HFSS給出2款半波陣子天線，繪出了入射端口反射損耗S（1，1）、電壓駐波比VSWR隨頻率的變化曲線。結(jié)果表明，不同尺寸天線對應(yīng)不同工作頻率。通過空間場線、反射損耗或駐波比曲線的仿真分析，在驗證電磁理論的同時，增加學(xué)生對場的感性認(rèn)識，加深他們對電磁場理論及其應(yīng)用的理解，激發(fā)對電磁場的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，同時，培養(yǎng)其解決實際工程問題的能力，為以后從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Maxwell 2D； HFSS； 拉普拉斯方程； 達朗貝爾方程； 反射損耗； 電壓駐波比

中圖分類號：TN911?34 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0097?04

0 引 言

以麥克斯韋方程組為基本出發(fā)點的電磁場理論，是公認(rèn)的難學(xué)難教的課程。授課中，如果對抽象的“場”多從物理或?qū)嵗详U述，并對具體模型通過相關(guān)的仿真軟件分析，則可增強學(xué)生的感性認(rèn)識，加深對電磁場理論及其應(yīng)用的理解[1]，且對以后從事相關(guān)工程問題的分析或設(shè)計提供仿真指導(dǎo)。首先，結(jié)合邊值問題的拉普拉斯方程求解，基于Maxwell 2D繪出了滿足一定條件的矩形接地金屬槽內(nèi)空間等勢線的分布；而后，結(jié)合達朗貝爾方程的解及無方向性天線輻射功率，基于HFSS繪出2款半波陣子天線，給出反射損耗

[S1，1]（設(shè)負(fù)載輸入端口為1端口，由于負(fù)載阻抗與傳輸線阻抗不匹配造成加載到負(fù)載上的電信號不能全部被負(fù)載吸收，[S1，1]即表示負(fù)載端口1處反射波電壓與入射波電壓比值，其值越大，說明加載到負(fù)載上的信號被反射回來的比例越高，故[S1，1]也表征了負(fù)載入射端口的損耗，也稱為反射損耗）、電壓駐波比VSWR（由于負(fù)載阻抗與傳輸線特性阻抗不匹配，到達負(fù)載的電信號能量有一部分被反射，傳輸線上反射信號與入射信號疊加后形成駐波。電壓駐波比即指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比，理想的比例為1∶1隨頻率的變化曲線。

由電壓反射系數(shù)及駐波比隨頻率的變化曲線可知，天線一臂長17.5 mm時，中心工作頻率為4 GHz，天線臂長8.5 mm時，中心工作頻率為8 GHz左右。因此想要縮減天線尺寸，為獲得一定的輻射效果須以減小工作波長即增大工作頻率為前提，音頻信號不易通過天線輻射，廣播電臺信息需經(jīng)過調(diào)制技術(shù)才能有效的輻射。

3 結(jié) 語

電磁問題的實質(zhì)即是求解給定邊界條件下的麥克斯韋方程組及方程組演化的其他偏微分方程。隨計算工具的發(fā)展，電磁場數(shù)值計算深入各個領(lǐng)域，有限元法是常用的數(shù)值方法，其中Ansoft公司的Maxwell 3D/2D就是優(yōu)秀的電磁分析軟件，HFSS是權(quán)威的天線分析與設(shè)計軟件，電磁教學(xué)中引入Ansoft電磁分析軟件具有一定的意義。基于Maxwell 2D的接地金屬槽電勢線，形象給出了槽內(nèi)電勢變化趨勢；基于HFSS給出半波陣子天線反射損耗[dBS1，1]，簡單驗證輻射功率與天線工作頻率或波長的關(guān)系，加強理論的同時，同時增強學(xué)生對天線輻射及電參數(shù)的感性認(rèn)識，加深他們對電磁場理論及其應(yīng)用的理解，激發(fā)對電磁場的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其解決實際工程問題的能力，提高教學(xué)效果。

參考文獻

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