基于HFSS軟件的電波與天線課程資源庫(kù)的建設(shè)與實(shí)踐

譚立容　張照鋒

摘要：為了教學(xué)的更好實(shí)施，采用仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）開(kāi)發(fā)了電波與天線課程仿真模型資源庫(kù)，并結(jié)合仿真模型資源庫(kù)編寫(xiě)了出版教材《電波與天線》 ，將該課程資源庫(kù)和教材用于實(shí)際教學(xué)中。經(jīng)調(diào)查顯示，課程資源庫(kù)的有效運(yùn)用有助于教師的教學(xué)，其教學(xué)效果整體上要好于傳統(tǒng)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：課程資源庫(kù)天線電磁波仿真軟件高職院校

中圖分類號(hào)：G712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1.引 言

以無(wú)線電磁波為核心的無(wú)線電技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域一門(mén)迅速發(fā)展的技術(shù)，對(duì)于這項(xiàng)現(xiàn)代電子通信行業(yè)中不可缺少的技術(shù)，掌握并且能夠靈活應(yīng)用已成為相關(guān)專業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個(gè)基本條件。目前，無(wú)線電技術(shù)專業(yè)是我們學(xué)校與其它高職院校相比具有特色的一個(gè)專業(yè)，而電波與天線課程是我校無(wú)線電技術(shù)專業(yè)一門(mén)重要的專業(yè)核心課程。但是，多年來(lái)，涉及到電磁波或天線的這類課程在各個(gè)高校的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生普遍感覺(jué)“比較抽象、難理解，看書(shū)看不懂，很難理清頭緒”，究其原因，主要是：（1）涉及到電磁波或天線的這類課程書(shū)中普遍存在大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)、計(jì)算；（2）涉及到電磁波或天線的這類課程中普遍存在大量抽象的概念，如平面波、天線方向圖等，往往難理解。

我校（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院）于2012年5月啟動(dòng)“基于HFSS仿真軟件的電波與天線課程資源庫(kù)的建設(shè)”課題，該課題結(jié)合電波與天線課程標(biāo)準(zhǔn)，采用仿真軟件HFSS仿真課程教學(xué)內(nèi)容所需常見(jiàn)器件和天線，形成仿真模型資源庫(kù)，結(jié)合仿真模型資源庫(kù)編寫(xiě)配套教材《電波與天線》（2012年下半年由西安電子科技大學(xué)出版社出版），供上課使用。

2.課程仿真資源庫(kù)的開(kāi)發(fā)

（1）開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介

HFSS軟件是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件。利用它可求解任意三維射頻、微波器件的電磁場(chǎng)分布，廣泛地應(yīng)用于各種微波器件和天線的設(shè)計(jì)。

（2）課程資源庫(kù)的建設(shè)思路

本課題的研究中，我們采用的研究策略有：研教結(jié)合、邊實(shí)踐邊總結(jié)等，具體的研究過(guò)程是這樣的：

① 從電波與天線課程標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，提取預(yù)期要完成的仿真模型清單

② 課題組各成員收集和學(xué)習(xí)相關(guān)資料

③ 分工完成仿真模型資源庫(kù)

④教材的編寫(xiě)

⑤教學(xué)實(shí)踐（在2012下半年在電波與天線教學(xué)中使用了該課程仿真資源庫(kù)）

⑥對(duì)前期工作進(jìn)行總結(jié)

⑦整理并形成研究總報(bào)告

3.課程資源庫(kù)的實(shí)踐

我們?cè)诮滩娜缦抡鹿?jié)中用到了課題組所開(kāi)發(fā)仿真模型資源庫(kù)：

項(xiàng)目3、用HFSS觀察平面電磁波

項(xiàng)目4、用HFSS仿真線天線

項(xiàng)目5、用HFSS仿真天線陣

項(xiàng)目6、用HFSS仿真寬頻帶天線

項(xiàng)目7、用HFSS仿真波導(dǎo)縫隙天線

項(xiàng)目8、用HFSS仿真喇叭天線

在實(shí)際教學(xué)中，考慮到教學(xué)總學(xué)時(shí)（45）的限制，這些所開(kāi)發(fā)仿真模型一部分在課堂教學(xué)時(shí)供教師課堂教學(xué)演示，一部分用于學(xué)生在課堂上操作練習(xí)，一部分用于學(xué)生在課后鞏固書(shū)中所學(xué)知識(shí)。以下是基于課題組所實(shí)現(xiàn)的仿真模型資源庫(kù)的教學(xué)具體案例：

授課章節(jié)名稱：

項(xiàng)目4中4.3節(jié) 用HFSS仿真對(duì)稱振子

教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)：

①運(yùn)用相關(guān)課程資源創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入問(wèn)題。創(chuàng)設(shè)的情景包括：先給出對(duì)稱振子天線的實(shí)物圖片及介紹其用途，導(dǎo)入問(wèn)題：為什么對(duì)稱振子天線能輻射電磁波等；

② 在進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹R(shí)鋪墊基礎(chǔ)上，運(yùn)用HFSS仿真半波對(duì)稱振子，仿真演示過(guò)程中突出分析以下內(nèi)容：

為什么要把代表天線兩臂的兩個(gè)圓柱體在模型材料屬性Material設(shè)置為理想導(dǎo)體pec或銅copper，兩者有何差異？

為什么要在天線兩臂中間創(chuàng)建集總端口激勵(lì)Lumped Port？

經(jīng)過(guò)求解得到仿真結(jié)果后，動(dòng)畫(huà)演示天線表面電流和電場(chǎng)分布；

再針對(duì)具體天線的仿真增益方向圖講解什么是增益、什么是方向圖等，并提問(wèn)哪個(gè)方向應(yīng)是最大輻射方向；

針對(duì)具體天線的駐波比仿真曲線，提問(wèn)什么是駐波比、曲線中哪個(gè)頻點(diǎn)的駐波比最好等；

針對(duì)具體天線效率仿真圖表，提問(wèn)什么是天線效率、天線效率能大于1嗎等。

③在以上基礎(chǔ)上，布置練習(xí)任務(wù)：“在HFSS仿真對(duì)稱振子的實(shí)驗(yàn)中，嘗試改變對(duì)稱振子的臂長(zhǎng)，以觀察方向圖的變化”。讓學(xué)生進(jìn)行深入研究學(xué)習(xí)和總結(jié)；

④學(xué)生課后完成練習(xí)，鞏固知識(shí)；

⑤學(xué)生課后通過(guò)郵件、微博、QQ群組等進(jìn)行討論和展示各自的作品，并相互評(píng)審；

⑥教師進(jìn)行評(píng)析、總結(jié)和回顧?？偨Y(jié)教師和學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中與課程資源庫(kù)交互作用中所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)、方法和結(jié)果，甚至整理錯(cuò)誤等。

4.基于資源庫(kù)的教學(xué)效果分析

在大多數(shù)情況下，傳統(tǒng)教學(xué)手段缺乏生動(dòng)性，不能引起學(xué)生的有效注意。傳統(tǒng)教學(xué)在鞏固教學(xué)過(guò)程中所能運(yùn)用的教學(xué)手段和形式是有限的，影響力、教學(xué)效果和效率都不夠強(qiáng)。并且，課堂教學(xué)內(nèi)容和情景在課后是不可再現(xiàn)的。另外，學(xué)生對(duì)教材中一些內(nèi)容很難形成正確的感知。