电磁场与电磁波课程设计.docx
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电磁场与电磁波课程设计
1.课程设计的目的与作用
1.1设计目的：
电磁场与电磁波课程理论抽象、数学计算繁杂，将Maxwell软件引入教学中，通过对典型电磁产品的仿真设计，并模拟电磁场的特性，将理论与实践有效结合，强化学生对电磁场与电磁波的理解和应用，提高教学质量。
1.2设计作用：
磁偶极子天线的近区场计算。
让我们更好的理解与掌握Maxwell这个软件的作用，提高了我们的耐心，同时能看见电场线仿真出来的效果，使我们更加清楚电场线的分布。
能对结果进行总结和分析。
了解了我们所做题目的原理步骤。
让我们对电磁场的学习深化，以便以后的学习更加容易。
熟练使用AnsoftMaxwell仿真软件，对电场、磁场进行分析，了解所做题目的原理。
利用AnsoftMaxwell软件仿真简单的电场以及磁场分布，画出电场矢量E线图、磁感应强度B线图，并对仿真结果进行分析、总结。
将所做步骤详细写出，并配有相应图片说明。
2设计任务及所用Maxwell软件环境介绍
2.1设计任务：
计算如下图所示所受磁偶极子线圈的近区场在边界上的坡印廷矢量及其辐射电阻。
要求理解并掌握辐射边界的使用。
其中电流环的内径r=9.5mm,外经R=10mm，线圈材料为铜（copper）。
环内通的电流为I=1A。
图1.设计任务图
2.2Maxwell软件环境：
AnsoftMaxwell软件特点：
AnsoftMaxwell是低频电磁场有限元仿真软件，在工程电磁领域有广泛的应用。
它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，使用领域遍及电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业，为各领域的科学研究和工程应用作出了巨大的贡献。
3电磁模型的建立
此题大致分为下列几个步骤：
1、建模2、设置激励3、设置计算参数4、设置自适应计算参数5、Check&Run6、计算结果
3.1建模
一、建模：
Project>InsertMaxwell3DDesign
二、保存：
File>Saveas>wangming
三、选择求解器类型：
Maxwell3D>SolutionType>Eddycurrent
四、设置几何尺寸单位：
Modeler>Units>SelectUnits:
m
图2.设置几何尺寸单位
3.1.1创建线圈
一、Draw>Torus;
二、输入中心点，线圈的内径和线圈的外径分别为：
（0,0,0）;（0.0095,0,0）和（0.001,0,0）
三、设置材料：
Copper
四、重命名：
coil
图3.设置线圈的材料并重命名图
图4.建立并设置完成后的线圈图
3.1.2创建计算区域Region
一、Draw>Sphere
二、输入中心点和球形计算区域的半径分别为：
（0,0,0）和（0.06,0,0）
三、设置材料：
vacuum
3.1.3创建激励电流加载面
一、Selectcoil
二、Modeler>Surface>Section
三、选择平面:
YZ平面
四、分离两Section面：
Modeler>Boolean>SeparateBodies
五、删除多余截面,并将剩余截面重命名为：
current
3.2设置激励
选中线圈截面：
current
一、Maxwell3D>Excitations>Assign>Current
二、设置环内通的电流为：
1A
三、设置类型:
soild
图5.设置环内通电流并设置类型图
四、设置涡流效应和位移电流存在区域：
Maxwell3D>Excitations>SetEddyEffects
设置如下图：
图6.设置涡流和位移电流图
3.2.1设置辐射边界RadiationBoundary
一、辐射边界在仿真电磁场开域问题时使用，辐射边界可完全吸收该
边界所包围区域内向外辐射的电磁波，不会造成电磁波的反射。
二、辐射边界只在涡流求解器中使用。
三、辐射边界必须与位移电流（Displacementcurrent）设置同时使用。
四、辐射边界一般都设为球形（也可以是其他形状），辐射边界到辐
射源的距离一般大于电磁波波长的1/4。
在天线的辐射问题中，一般习惯将研究目标或区域的尺寸表示为电磁波波长（l，lambda）的函数。
3.2.2将region的半径表示为l的函数
选中Region下的Createsphere
一、修改radius：
lambda/4+0.01（m）
（1）添加变量lambda的定义为：
c0/frequ（c0为真空光速）
（2）添加变量frequ的定义为：
1.5GHz
二、面选择：
Edit>Select>Faces
三、选Region的外表面：
Maxwell>Boundaries>Assign>Radiation…
3.2.3设置表面剖分的近似原则
选中外表面
一、Maxwell>MeshOperations>Assign>SurfaceApproximation…
（1）Maximumsurfacedeviation：
ignore
（2）Setmaximumnormaldeviation（angle）：
15deg
（3）Setaspectratio：
10
图7.设置表面剖分的近似原则
3.2.4Maximumsurfacedeviation
表面偏差距离：
模型的剖分三角平面与真实表面之间的距离
若模型真实表面是平面，则表面偏差距离为0。
3.2.5Maximumnormaldeviation
模型的剖分三角平面与真实表面的法向分量之间的夹角。
3.2.6Aspectratio
剖分三角单元的Aspectratio是指三角单元的外接圆半径与三角形内
径的比值。
若该参数为1，表示三角单元为等边三角形。
对于平面剖分，Aspectratio的设置下限为4，对于曲面剖分，Aspectratio的设置
下限为1.2。
3.2.7创建计算区域的外表面
选中Region区域的外表面
一、Modeler>Surface>CreateObjectFromFace
二、重命名：
Outside
3.3设置计算参数
一、设置参数：
Maxwell3D>Parameters>Assign>Matrix
图8.设置计算参数图
3.4.设置自适应计算参数
一、设置自适应参数：
Maxwell3D>AnalysisSetup>AddSolutionSetup
二、最大迭代次数：
5
三、误差要求：
10%
四、频率设置：
1.5GHz（Solver>AdaptiveFrequency）
图9.设置完成后的线圈及区域图
3.5Check&Run
一、检查：
Maxwell3D>ValidationCheck
图10.进行检查图
二、分析：
Maxwell3D>AnalyzeAll
3.6计算辐射电阻
3.6.1创建平均Poynting矢量的计算表达式
一、打开计算器：
Maxwell3D>Fields>Calculator…
二、引入参数：
Quantity>E;Quantity>H
三、取H矢量的共轭：
Complex>Conj
四、叉乘：
Cross
五、取实部：
Complex>Real
六、写入系数：
Number>0.5
七、点乘：
*
八、将公式添加进表：
（1）点击Add…
（2）Namedexpressions>PoyntingDone
图11.创建Poynting矢量的计算表达式图
3.6.2求边界上的辐射功率
一、打开计算器：
Maxwell>Fields>Calculator
二、打开Poynting矢量：
在NamedExpressions栏中选中Poynting
三、将Poynting矢量设置copy到Calculator堆栈中：
Copytostack
四、Geometry>Surface>Outside
五、保留Poynting的法向分量：
Normal
六、积分
并查看结果（Eval）
3.6.3计算辐射电阻
3.7查看辐射边界上的Poynting矢量图
选中Region的外表面
一、Maxwell3D>Fields>Fields>NamedExpression…
二、选中Poynting
4电磁模型计算及仿真结果后处理分析
图13.电磁模型的仿真
图14.电脑运行出来的辐射功率结果图
从图可知辐射功率：
W
由题可知环路电流：
由辐射电阻的计算公式为：
即：
辐射电阻
5设计总结和体会
在这次的课程设计当中，我们第一天进行的是对麦克斯韦软件的初步操作和熟悉，我们花了一天的时间来做这个，根据软件上的介绍做了瞬态场实例：
TEAMWORKSHOPPROBLEM24，虽然开始花了一个上午才做出来而且到下午快验收的时候才发现做的出错了，各种调整修改，即使在老师的帮助下也都不行，于是下狠心删了，重新做过了一个，但这次花了不到半个小时的时间就完成，而且还做对了，才发现自己对这个软件已经很熟悉了，于是在第二天真正做自己的这个设计的时候，就发现其实操作起来就能够更加的得心应手了，虽然当中遇到了许多软件上的问题，例如操作的时候总是突然软件就退出，不能够复制、粘贴和保存等问题，但最终自己做出了这个成果还是很开心，而且这个课程设计不仅锻炼了自己的数学逻辑推理算术能力，同时也锻炼了自己的动手能力。
6参考文献：
【1】玛奇德LM。
电磁场、电磁能和电磁波[M]。
何国瑜，董金明，江贤祚，王振荣译，北
京：
人民教育出版社，1982
【2】徐永斌，何国瑜，卢才成，苏东林。
工程电磁场基础[M]。
北京：
北京航空航天大学
出版社，1992
【3】冯慈璋，马西奎。
工程电磁场导论[M]。
北京：
高等教育出版社，2000
【4】倪光正，工程电磁场原理[M]。
北京：
高等教育出版社，2002
【5】杨儒贵，电磁场与电磁波[M]。
北京：
高等教育出版社，2003
【6】谢处方，赵家升。
电磁场与电磁波[M]。
北京：
高等教育出版社，2006
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