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电磁仿真软件在《电磁场与波》教学中的应用 　　摘 要：《电磁场与波》课程理论性强、概念抽象。通过对典型实例的仿真研究，利用电磁仿真软件设计出适合该课程的实践教学环节，形象演示了电磁波在空间的传播和分布，学生加深了对电磁波传播特性的理解，提高了教学质量。 　　关键词：教学改革；电磁仿真；XFDTD；Matlab 　　DOIDOI：10.11907/rjdk.161934 　　中图分类号：G434 　　文献标识码：A 文章编号文章编号2016）011021204 　　0 引言 　　1873年麦克斯韦尔提出了著名的Maxwell方程组，并预示了电磁波的存在。1888年，赫兹通过实验测量证明了电磁波的存在。20世纪初，意大利发明家兼商人马尔可尼用简单的无线电收、发装置实现了跨大西洋的简单电报传输，开辟了无线通信广阔的应用前景。随着电磁场与波在雷达、通信、导航、遥感、医学、空间等领域应用的不断深入，电磁场与波技术在高等院校电子信息类学科发展和学生培养中的作用日趋重要[1]。《电磁场与波》课程是电子信息类专业必修的专业基础课，更是后续课程《微波技术》、《天线与电波传播》、《移动通信技术》的基础课 [2]。 　　《电磁场与波》的前修课程是《大学物理》和《高等数学》，其课程特点是概念抽象、理论深奥、计算复杂、公式繁多，具有“学生难学、教师难教”的特点[3]。由于电磁场与波看不见摸不着，传统的教学模式又是学生被动接受知识，从而使学生更加难以理解和掌握电磁场与波理论。为了使学生直观、生动理解电磁场模型，很多高校加入了实验教学环节。但就“场”类的硬件测量实验来说，实验配套设备昂贵、仪器操作复杂，使用不当可能造成较大的经济损失[4]，且“场”类实验需要专门的测试场地，如微波暗室。有些高校不具备这样的实验条件，即使有微波暗室，也很难在微波暗室中给本科生开设实验课。因而 ，“场”类硬件测量实验在很多高校中要么不开设，即使开设的也是一些非常简单的实验，很难满足学生对电磁场与波的深刻理解要求。为了解决这些难题，借助于目前先进的商业电磁仿真软件，设计出和课程相对应的仿真程序，使电磁场与波原理通过图形甚至动画形式呈现出来，学生目睹电磁场与波的传播过程，提高对电磁场与波的理解。另外，由于许多高校进行了教学改革，专业基础课课时不断压缩，《电磁场与波》的教学课时相应减少，这对教师和教学内容提出了更高要求。电磁仿真演示型实验信息量大、易被接受，能够在一定程度上解决课时不足的窘境[3]。不仅如此，目前利用电磁仿真软件对微波、毫米波工程的设计与仿真已成为潮流。在《电磁场与波》课程中引入电磁仿真软件，可以让学生感受电磁仿真软件的功能与效果，在以后的学习和应用中，有选择地使用其中一种作为解决电磁问题的手段。为了培养既懂“电磁场与波”，又熟悉电磁仿真软件的高层次人才，在教学中引入电磁仿真软件辅佐理论教学势在必行。事实证明，只有不断探索“场”类实验课程教学的新模式、新方法，以培养学生创新精神、团队意识和实践能力为重点，加强学生解决实际问题和独立工作能力的训练，才能为学生继续深造和未来任职奠定坚实的基础[3]。 　　1 仿真实验平台 　　1.1 XFDTD软件 　　XFDTD是基于时域有限差分（Finite-difference Time-domain，FDTD）方法的全波三维电磁仿真软件，是美国REMCOM公司开发的软件包核心产品之一。FDTD是直接对Maxwell方程的微分形式进行离散的时域方法，能解决复杂精细结构和电大尺寸天线及阵列设计、电中小尺寸的天线布局问题等。FDTD方法计算复杂度低，所需内存和计算时间与未知量成正比，仿真复杂结构效率高。相比于Ansoft公司推出的HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件，XFDTD在仿真电大尺寸、解决宽频瞬态问题等方面更胜一筹。在《电磁场与波》课程中，电偶极子及对称天线在远区场的辐射分布、均匀平面波在多层媒质中的传播过程等都无法在HFSS软件中仿真。但在XFDTD软件中，不仅能得到定量结果，还能看到电场、磁场或者电流等各个场量在空间的辐射过程。对于类似矩形波导这样的微波元器件，不仅能在HFSS软件中仿真，还能在XFDTD软件中仿真。因而，本文选用XFDTD作为电磁仿真软件进行仿真和分析。 　　1.2 Matlab软件 　　Matlab是Math Works公司研发的一款用于科学与工程计算的软件工具，具有强大的矩阵运算、数据处理和图形显示功能。Matlab拥有大量简单、灵活、易用的二维、三维图形函数以及丰富的图形表现能力，方便各种科技图形的绘制[5]。在很多论文中，直接利用Matlab进行编程，对电磁场与波中的一些电磁现象进行计算和绘图，得到