CST

2007年全国微波毫米波会议论文集 2007年10月，宁波

基于CST软件开发的电磁场与电磁波

电化教学库

孙佳伟张敏王红丽

同济大学现代集成电磁仿真研发中心

摘要：电磁场与电磁波课程是电子信息类相关专业一门重要的专业基础课。该课程涉及概念比较抽象，对空间想

象能力要求较高，教学难度较大。基于CST三维电磁场仿真软件，编制开发了电磁场与电磁波电化教学库。通过

建立电磁场与电磁波课程中相关概念的实时动态演示，帮助学生更好地理解场与波的概念和现象，建立场的思维

模式，在教学中取得了良好的效果。

关键字：电磁场与电磁波，计算机辅助教学，CST工作室套装™

A CAI Software of Electromagnetic Field and

Wave Based on CST

Jiawei SUN Min ZHANG Hongli WANG

TONGJI UNIVERSITY, Modern Integrated Electromagnetic Simulation R&D Center (MIEMS) Abstract: Electromagnetic fields and wave is an important basic technical course for Electronic information major. Because the concept of course is abstract and it demands good space imagination, teaching is difficult. Based on the CST

3D electromagnetic simulation software, a CAI software of electromagnetic field and wave is developed. By establishing dynamic demos, it helps students understand the concepts and phenomenon better and set up the thinking mode of field. Good results in teaching are achieved.

Key Words: Electromagnetic Field and Wave，CAI，CST STUDIO SUIT™

1. 引言

电磁场与电磁波是一门有关麦克斯韦电磁基础的主干课程，是大学电子、通信类及其相关专业重要的专业基础课之一。该课程理论性强，数学推导繁多，概念比较抽象，需要较高的空间想象力，加上如今大学普遍课程多，而每门课的课时相对减少，一些学校电磁场与电磁波课程的课时有32个学时，内容多，课时少，使电磁场与电磁波课程的“教”与“学”都有一定难度[1][2]。

在课程教授中，如果使用计算机辅助教学CAI课件，通过大量图示和动画能帮助学生建立良好的空间思

基金项目：

上海浦东新区科技创业人才资助资金（PKR 2005-19）维，增强对电磁场的理解[3]。我们基于CST三维电磁场仿真软件，开发了电磁场与电磁波电化教学库。该电化教学库覆盖电磁场与电磁波课程的所有章节，通过仿真实验，模拟相关电磁概念与现象，形象地、动态地展示电磁理论的基本原理，让学生可以“感受”和“看到”电磁场的存在与运动，在增强学习兴趣的同时，帮助巩固和掌握所学的理论知识，有效地改善了教学效果。

2. CST软件简介[4]

CST软件是全球最大的三维时域电磁场仿真软件，其最新版本CST工作室套装™2006B更是在同一界面下整合了CST微波工作室®、CST电磁工作室™、CST 粒子工作室™和CST设计工作室™四大子软件，是目前市场上方法最为完备的三维全波电磁场仿真工具。CST软件的主要特点有：

2007年10月，宁波2007

年全国微波毫米波会议论文集 2 a)以有限积分技术（FIT）为基础，可用于解决

从静态场计算到时域和频域的高频应用的各

种电磁场问题。

b)丰富的2D/3D结果显示，并能动态显示场量。

c)强大的后处理模板，能对2D/3D场量，1D信号

及标量值（0D）进行灵活的处理。如对任意曲

线、任意曲面进行积分等。

d)内置的VBA（Visual Basic for Applications）兼

容宏语言，带有功能完整的开发环境，通过

VBA宏命令可方便对CST仿真进行控制。

3．电磁场与电磁波电化教学库概述

本电磁场与电磁波电化教学库主要基于CST电磁工

作室™和CST微波工作室®编制，主要依照谢处方、

饶克谨编著的经典教材《电磁场与电磁波》（第二版）

[1]的内容安排，分为“静电场”、“恒定电场”、“静磁

场”、“静态场的解”、“时变电磁场”、“平面电磁波”、

“波导与谐振腔”与“辐射与绕射”八个章节，在每

章中选取重要知识点，通过CST软件进行仿真实验，

并运用CST内置的VBA语言，编制了图形用户界面。

A. 安装与操作

电磁场与电磁波电化教学库的安装界面如图1所示。

安装程序自动将该电化教学库集成到CST

工作室套

装环境下。打开CST微波工作室®或CST电磁工作室

™，从主菜单选择MacrosÆ电磁教学，可以看到电化

教学库在CST软件下的架构，如图2所示。选择相应章

节中的知识点，就可以启动对应CST仿真实例的用户

界面，进行演示。

图1 电化教学库的安装界面

图2 电化教学库在CST下的集成

B. 电化教学示例

（a）真空中的高斯定理

式（1）是真空中的高斯定理，它是静电场的基本方

程之一，表明了基本变量电位移

D在闭合面上S的通

量特性，即真空中的电通量

D在任意闭合面S上的积

分等于闭合面S所包围的自由电荷量

f

q

∑。

0f

s

d q

=∑

∫D S i

（1）

打开CST电磁工作室™，从主菜单选择MacrosÆ电

磁教学Æ第1章静电场Æ01.01高斯定理，启动高斯定

理演示宏，CST电磁工作室™自动打开相应的仿真算

例，并弹出对话框，如图3所示。

图3 高斯定理演示界面

演示程序模拟真空中带电量为1库仑的导体球所产

生的电场，计算出真空中的电通量

D沿不同的闭合曲

面进行积分得到的值，并与闭合面所包围的电荷量进

行比较。演示程序中可以选择全包含、半包含导体球

的闭合面，闭合面的形状可以是圆形、矩形或任意，

如图4所示。选择不同的组合，点击“积分”按钮，就