“微波技術(shù)與天線”教學(xué)中工程設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用

齊 萌

（洛陽理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

“微波技術(shù)與天線”教學(xué)中工程設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用

齊 萌

（洛陽理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

該文針對微波技術(shù)與天線課程的教學(xué)難點(diǎn)，提出選擇適當(dāng)?shù)墓こ淘O(shè)計(jì)軟件搭建仿真平臺應(yīng)用于教學(xué)，并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行了詳述。教學(xué)實(shí)踐表明，引入這些仿真軟件可以幫助學(xué)生加深對理論內(nèi)容和實(shí)際應(yīng)用的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

微波技術(shù)與天線；工程軟件；仿真平臺；Matlab

“微波技術(shù)與天線”課程作為工科電子信息工程、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)在本科階段的一門重要專業(yè)必修課，一般開設(shè)在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期。該課程主要研究微波的傳輸?shù)膯栴}，包括一些常用的微波傳輸線和微波無源元件［1］。由于它是一門對理論性、工程性和實(shí)踐性要求很高的課程，存在推導(dǎo)計(jì)算過程繁瑣、抽象概念多、涉及知識面廣的特點(diǎn)，讓學(xué)生學(xué)好以及老師教好該門課程都有一定的難度。特別對于二類本科院校，學(xué)生基礎(chǔ)普遍相對薄弱，如果進(jìn)行傳統(tǒng)、單一的教學(xué)模式，課堂授課從概念定義開始，然后將原理方法一步步向?qū)W生灌輸，學(xué)生往往不清楚為什么學(xué)習(xí)這門課，對學(xué)習(xí)的內(nèi)容一知半解。因此，為了改變對微波技術(shù)這門課程“難教、難學(xué)”的局面，使學(xué)生順利完成課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)更多高素質(zhì)的IT人才，許多該課程的教學(xué)工作者都在積極尋找新的教學(xué)方法和手段［2-4］。

本文針對課程學(xué)習(xí)中學(xué)生普遍反映的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題展開研究。根據(jù)章節(jié)內(nèi)容的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)墓こ誊浖?，對理論模型?shù)學(xué)建模并進(jìn)行模擬仿真，在仿真過程中加強(qiáng)對基本概念、元件參數(shù)及仿真圖形的理解。這樣的教學(xué)方式，使學(xué)生不再覺得課堂內(nèi)容單調(diào)枯燥，培養(yǎng)了學(xué)生分析解決問題的能力，有利于提高課堂教學(xué)效率。

1 傳輸線的輔助教學(xué)

“微波技術(shù)與天線”教材中傳輸線基本理論、微波傳輸線和微波網(wǎng)絡(luò)這些內(nèi)容，基本上都和傳輸線有關(guān)。為了使學(xué)生具體了解每個學(xué)習(xí)內(nèi)容的物理意義，提高學(xué)習(xí)的積極性和效率，因此可以借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件，用數(shù)值計(jì)算方法來解決較為復(fù)雜的電磁場問題，避免繁瑣的手工計(jì)算。

Matlab又稱矩陣實(shí)驗(yàn)室，是美國MathWorks公司推出的一套高性能數(shù)值計(jì)算和可視化軟件。該軟件集數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、信號處理、圖像處理、仿真等功能于一身，包含多個領(lǐng)域的具備專用功能的工具箱，并具有程序開發(fā)與擴(kuò)充功能，使其在各類科學(xué)計(jì)算軟件中具有獨(dú)特的優(yōu)勢［5］。把Matlab應(yīng)用到微波教學(xué)中可以處理很多問題，如Smith圓圖的繪制、計(jì)算傳輸線教學(xué)內(nèi)容涉及的各種參數(shù)、繪制矢量線（電力線和磁力線）和等位線等，將抽象的電磁場可視化，減少繁瑣的公式及復(fù)數(shù)計(jì)算，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，所以必然引起較好的教學(xué)效果。由于課堂教學(xué)課時的限制，不可能在課堂上用較長的時間來講解 Matlab語言及其應(yīng)用，但可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室練習(xí)，對他們以后的學(xué)習(xí)與工作是非常有用的。

1.1 Smith圓圖

Smith圓圖是高等學(xué)校微波技術(shù)與天線課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。它主要用于計(jì)算微波網(wǎng)絡(luò)的阻抗、導(dǎo)納及網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配設(shè)計(jì)，還可用于設(shè)計(jì)微波元器件。Smith圓圖將等電阻圓和等電抗圓畫在反射系數(shù)的復(fù)平面上，構(gòu)成了Smith阻抗圓圖。其物理概念抽象，曲線圖形復(fù)雜，學(xué)生不容易理解各種曲線的意義，一直是課堂教學(xué)的難點(diǎn)。

通過編寫Matlab程序構(gòu)建Smith圓圖，在特性阻抗為Z的均勻無耗傳輸線上，給定歸一化輸入阻抗Z=R+jX，即給定一組（R，X）值，以反射系數(shù)Γ實(shí)部和虛部為橫縱坐標(biāo)形成的二維平面上，可以得到一個圓，圓上任一點(diǎn)與圓心的連線長度代表該點(diǎn)相應(yīng)的傳輸線上任一點(diǎn)處的Γ值的大小，連線與x=0的實(shí)軸間的夾角就是反射系數(shù)的幅角。若改變（R，X）的值，可以得到一系列電阻和電抗圓。由于在均勻無耗傳輸線上，反射系數(shù)的模沿傳輸線不發(fā)生變化，并且對于任意Γ值的點(diǎn)，均落在Γ平面的單位圓上。如圖1所示，Smith圓圖可分為歸一化電阻圓、歸一化電抗圓和反射系數(shù)圓。該模型可以實(shí)現(xiàn)圓圖的基本應(yīng)用、構(gòu)建及確認(rèn)輸入阻抗在圓圖上的位置。將原本抽象理論通過圖形表示出來，避免了傳統(tǒng)公式法所帶來的復(fù)雜的計(jì)算，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握Smith圓圖的構(gòu)成和使用，并使其了解到Matlab的操作和程序的編寫。

圖1 Smith圓圖

1.2 波導(dǎo)

矩形波導(dǎo)是應(yīng)用最廣泛的一種波導(dǎo)系統(tǒng)。對于波導(dǎo)的分析通常是基于場的理論，構(gòu)建Maxwell方程。為了研究波導(dǎo)中的電磁場，首先需要求出它的各場分量，然后分析波導(dǎo)中存在的波形（即模式）、場結(jié)構(gòu)、傳輸特性等。然而在求解的過程中會涉及大量數(shù)學(xué)計(jì)算，并且電磁場的分布是不可見的，這就導(dǎo)致了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺內(nèi)容抽象難于理解，學(xué)習(xí)積極性下降。

我們發(fā)現(xiàn)如果借助仿真軟件對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中不同模式的場進(jìn)行仿真，將場圖從“無形”變成“有形”，讓學(xué)生在一個直觀的環(huán)境下理解波導(dǎo)中的場，能夠取得事半功倍的效果。利用Matlab仿真軟件建立波導(dǎo)模型，當(dāng)滿足1<λ/a<2（λ為波長，a為寬壁尺寸）時，TE10型波是主模。通過仿真繪制出波導(dǎo)場結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中電力線為紅色，磁力線為藍(lán)色。很容易看出，TE10模式的電場線垂直于波導(dǎo)表面，電力線互不交叉；磁力線環(huán)繞電場形成閉合曲線，磁力線互不交叉，電力線和磁力線相互正交。這樣在三維空間對電磁波進(jìn)行動態(tài)描述，將抽象的場圖及概念形象化，容易幫助學(xué)生建立起空間動態(tài)電磁波的概念，更好地理解矩形波導(dǎo)的場分布。

2 天線的電磁仿真教學(xué)

微波電磁仿真軟件比較多，常用的有AnsoftHFS、Microwave Office和ADS等［6］。在比較這些軟件的可操作性、設(shè)計(jì)性和應(yīng)用性之后，針對天線部分的教學(xué)，選擇Ansoft公司的全波分析軟件HFSS仿真簡單的天線，將得到的三維仿真結(jié)果直觀的呈現(xiàn)給學(xué)生，以此將抽象的場的概念、方向圖的概念“實(shí)物化”。

圖3 半波偶極子天線仿真結(jié)果

利用HFSS軟件建立一個中心頻率為3 GHz的半波偶極子天線，天線饋電采用集總端口激勵方式，通過仿真分析得到天線的各種性能特性。如圖3（a）所示，偶極子天線的中心頻率為3 GHz，S11<-10 dB的相對帶寬為15.3。從圖3（b）S11的Smith圓圖看出，在3GHz的歸一化阻抗為1，說明天線的端口阻抗匹配良好。

除此之外，HFSS還可以仿真各種微波元件，例如微波濾波器、定向耦合器、微波諧振器等。課后學(xué)生可以自己動手進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)課上老師再統(tǒng)一講解。這樣把課堂理論教學(xué)、課后學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，學(xué)生更容易在頭腦中形成物理概念，更好理解天線的基本參數(shù)（如方向圖、增益、主瓣寬度等）概念，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情和主動性。

3 結(jié)束語

本文基于“微波技術(shù)與天線”不同的章節(jié)內(nèi)容選擇適當(dāng)?shù)墓こ誊浖?，通過設(shè)置一些教學(xué)實(shí)例，如Smith圓圖、波導(dǎo)和天線，將抽象問題用圖形演示展現(xiàn)出來，體現(xiàn)了工科教學(xué)的實(shí)踐性，從而激發(fā)了學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)主動性，起到了較好的教學(xué)效果。

［1］王新穩(wěn)，李延平，李萍.微波技術(shù)與天線［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011:28-45.

［2］周雪芳，錢勝.仿真軟件在《微波技術(shù)與天線》實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013（3）:37-39.

［3］蔣鐵珍，廖同慶.“微波技術(shù)與天線”教學(xué):與工程應(yīng)用相結(jié)合［J］.教育與教學(xué)研究，2014（6）:78-80.

［4］王楠，梁昌洪，蘇濤.“微波技術(shù)”課程中的探究式教學(xué)［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015（1）:87-88.

［5］陳懷琛.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［6］李明洋.HFSS天線設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011: 2-8.

Application of the Engineering Design Software in Microwave Technology and Antenna Teaching

QI Meng
（School of Computer and Information Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，China）

According to the difficulties of microwave technology and antenna course，we put forward a method by the choice to the engineering software based on the simulation platform.And the typical examples are discussed.Practical teaching shows that teaching method can assist the students’comprehension on the theory and application.It also can enhance students’learning interest and enthusiasm，and improve the quality of teaching.

microwave technology and antenna；engineering software；simulation platform；Matlab software

TN015-4；TN820-4；G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.053

2015-06-01；修改日期：2015-09-16

齊 萌（1984-），女，碩士，助教，主要從事電磁場和電磁波、微波天線教學(xué)工作。