“电磁场与电磁波”的可视化教学研究与实践

1、“电磁场与电磁波”的可视化教学研究与实践“电磁场与电磁波”是电子信息、通信工程类的学生掌握了高等数学、物理、电学等课程知识后而开设必修课程。该课程通过利用数学中的标量、矢量、场论、微积分、偏微积分等知识来解决电磁场传播所涉的物理问题、物理规律，知识面广，对高等数学知识的应用能力要求高。在电磁场与电磁波的教学中，知识体系理论性强，抽象难懂，学生难以有直观的视觉体验，“学生难学，教师难教”是普遍现象；如何有效改善提高课堂的教学效果，有着很好的探讨价值。一、电磁现象的简单可视化及计算电磁场与电磁波课程中有很多概念，这些概念一般是通过数学表达式加以描述，缺乏直观的实例，使得学生对概念的理解不透。为了达

2、到更好的教学效果，帮助学生加深理解“场”与“波”的概念，促使他们不断深入学习，针对相关知识点，利用Matlab 和 HFSS软件，引导学生一起分析、编程、仿真，得可视化结果，有助于学生建立对抽象的“场”与“波”的认识。1. 均匀平面电磁波传播横电磁波（ TEM波）是由正交的电场与传播方向构成两两正交。设TEM波沿E 和磁场 H 组成， z 轴方向传播，其电磁场强度各点具有相同的振幅和振动方向，在同一个位置有着相同的相位，本征阻抗 =/ ，而波数 k= / 。在自由空间中固定的某个时刻t ，电场与磁场交替以正弦波的形式前行的方式，根据坡印廷矢量定理，其能流密度为S=E×H。2. 传输线

3、参数计算传输线用传输双线来描述，在分析无耗传输线时必须考虑交界处的参数。如存在不同特征阻抗的多段连结线的情形，可以利用 Matlab 软件动态演示得到行波场强、回波场强、每段传输线上的场分量等结果，同时通过软件描述各段传输线参数，描述了 3 段长度分别为 0.5m 的不同特征的传输线端接处的波阻抗、波长、传播常数等参数。二、利用 Ansoft HFSS 软件模拟天线天线是各类无线通信中关键部件。描述天线的参数较多，如增益、效率等。利用 HFSS软件，在课堂上设计最简单的半波对称天线。 假设天线沿 Z 轴放置，工作中心频率为 960MHz 的阵子天线（ UHF射频用天线），波长为 312.5mm

4、，两臂间隙为 0.24mm，天线臂长度为 1/4 波长，圆柱形天线的半径为波长的 1%。根据半波天线的辐射功率计算公式（2）：Pr=sSavdS=36.54I2 （ W） （2）得出其辐射电阻Rr：Rr=2Pr I2=73.1 （ 3）材质为理想电导体，天线模型建立后，设置辐射边界和集总端口激励，经过模型检测后，通过综合计算完成后，便可求解天线的反射系数S（ 1，1），驻波比（ VSWR）等。 HFSS具备包括回波损耗、驻波比、 Smith 圆图、阻抗、增益等各项性能参数分析的功能。特别是在定义了远场辐射表面参数后，可以查看远区场的三维增益辐射效果， 引入 HFSS软件，对电磁辐射现象进行建模

5、和求解并可视化结果，激发了学生对电磁场与电磁波学习的兴趣，改善教学效果，同时能有效地引导他们对电磁现象进一步的探索与分析。传统的电磁场与波的课堂教学一般偏重于理论介绍，由于缺乏有效的实验设备而忽视了实验教学，学生感到其没有应用的地方。针对电磁场、电磁波的传播现象、电磁场的计算等方面进行数值模拟和仿真，在课堂上理论推演的同时，结合 Matlab 软件，在课堂上演示相关的物理现象，将抽象复杂的场的概念转化为直观的演示图像。通过Matlab 软件计算及描绘电磁波传播、电场分布、磁场分布、电势分布等物理现象，并对传输线端接参数进行计算，将这类物理现象问题数字化、形象化；利用HFSS软件设计对称振子天线，