微波技術(shù)基礎(chǔ)本科教學(xué)改革

段俊萍　秦麗　張斌珍

摘要：微波技術(shù)在空中雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)展迅速，對于本科教學(xué)來說，微波技術(shù)基礎(chǔ)的實踐教學(xué)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于微波通信科學(xué)技術(shù)研究的發(fā)展。如何使科研能更好地服務(wù)于微波技術(shù)課程的本科教學(xué)，成為我們對微波技術(shù)本科實踐環(huán)節(jié)改革的重要研究內(nèi)容，首先對微波測量系統(tǒng)的硬件平臺實驗進(jìn)行了改革，增加了測量系統(tǒng)實驗平臺、網(wǎng)絡(luò)分析儀，同時增加了科研設(shè)備操作測試環(huán)節(jié)；在實驗中引入微波射頻仿真軟件CST、HFSS，提高了學(xué)生的微波設(shè)計與分析能力。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；教學(xué)改革；HFSS仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）05-0135-02

一、引言

隨著國際通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信技術(shù)在雷達(dá)和導(dǎo)航的應(yīng)用要求也越來越高，因此微波技術(shù)的教育理念也得到了快速更新。國家通信技術(shù)水平的高低直接影響國家的整體發(fā)展水平，因此微波技術(shù)的教學(xué)發(fā)展對高等教育來說有著舉足輕重的作用[1-2]。

隨著國內(nèi)信息技術(shù)實力的日益提高，科學(xué)研究所需的世界先進(jìn)的設(shè)備已經(jīng)逐漸到達(dá)科研第一線，科技理念也逐漸深入到一線的科研人員的腦海中，國內(nèi)關(guān)于微波通信技術(shù)和系統(tǒng)的科學(xué)研究、研究生教育已經(jīng)逐漸趕上發(fā)達(dá)國家的步伐，但由于微波通信設(shè)備的價格昂貴，對于本科教學(xué)來說實驗條件相對缺乏，這使得在大多地區(qū)的高等學(xué)校本科教學(xué)的實踐環(huán)節(jié)不能緊隨科學(xué)科研的發(fā)展，如何通過科研平臺讓學(xué)生了解專業(yè)的發(fā)展動態(tài)、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、使其更好地掌握復(fù)雜的理論與計算分析，逐步提高實踐動手能力，加大實踐環(huán)節(jié)成為高等學(xué)校專業(yè)教學(xué)改革的重點。

“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程是電子信息類本科及研究生的專業(yè)重點課程之一，由于電磁場理論公式繁多，概念抽象，講授過程中電磁波難以想象和理解。微波技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)過程大都以理論講授為主，很難通過課堂理論知識的講授來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3-4]。如何加深學(xué)生對微波傳輸理論及微波器件性能知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生具備從事天線、微波器件的設(shè)計、開發(fā)和工程應(yīng)用能力，如何讓學(xué)生用設(shè)計與仿真、加工、測試等手段和方法研究微波技術(shù)基礎(chǔ)，這些在微波技術(shù)基礎(chǔ)課程的實踐環(huán)節(jié)顯得尤為重要。

二、存在的問題

傳統(tǒng)微波技術(shù)基礎(chǔ)的教學(xué)模式大都比較單一，板書所占課時的比重較大。部分教師用豐富多彩的多媒體式教學(xué)將微波的傳輸過程等通過動畫的方式向同學(xué)們演示，提高學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解。這兩種方法都能較好地向?qū)W生講述微波的基本知識、概念以及基本參數(shù)的設(shè)計與計算。但由于微波技術(shù)課程內(nèi)容大多比較抽象，在傳輸理論等方面還需要尋求更好的方法來解決。

三、微波技術(shù)基礎(chǔ)課程改革與實施方案

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，微波射頻電路更加模塊化、功能化，理論計算已經(jīng)很難通過簡單計算得到，因此多個微波器件的互聯(lián)系統(tǒng)更多地依靠軟件設(shè)計完成。本文的改革內(nèi)容就是在微波技術(shù)理論基礎(chǔ)上對微波技術(shù)課程的實踐實驗教學(xué)進(jìn)行了改革探索。改革的目的就是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決實際設(shè)計與制作、測試及數(shù)據(jù)分析等問題的能力，為今后從事微波理論研究、微波通信設(shè)備的研發(fā)和微波電路設(shè)計等工作打下堅實的基礎(chǔ)。具體改革內(nèi)容從以下四個方面來分析。

1.搭建微波系統(tǒng)測試平臺，將標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、微波頻率計、檢波器、功率計、耦合器等器件組成波導(dǎo)測試系統(tǒng)。通過課堂理論教學(xué)對微波技術(shù)的有關(guān)理論知識的學(xué)習(xí)，結(jié)合測試平臺的實踐操作，深刻理解微波測量系統(tǒng)的工作原理、熟悉使用和操作微波信號源的方法，可以通過調(diào)節(jié)微波測量系統(tǒng)測量微波信號電場的振幅。了解相關(guān)系統(tǒng)使用微波儀器儀表，微波元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、原理，理解和掌握微波頻率的測量方法。通過實際動手操作，讓學(xué)生更好地理解各種微波器件在微波測量中的作用。

2.微波器件模型的分析與設(shè)計。微波技術(shù)在工程中應(yīng)用非常廣泛，學(xué)生通過理論教學(xué)的學(xué)習(xí)，掌握器件的基本設(shè)計方法，通過理論計算得到模型的尺寸后，首先通過CST、HFSS等射頻軟件的學(xué)習(xí)，掌握傳輸線、微帶線、濾波器、天線的基本設(shè)計知識，通過對簡單的腔體微波器件進(jìn)行設(shè)計與制備，加深理解各參數(shù)對器件性能的影響；軟件將電磁波的三維場分布圖、電力線分布、磁力線及傳播過程都用彩色動態(tài)演示展現(xiàn)出來，使得抽象的電磁學(xué)知識更加形象化，將看不見、摸不著的電磁場變成形象可見的三維動畫。該仿真實驗使教師的理論教學(xué)更易于被學(xué)生理解，使學(xué)生對實驗內(nèi)容涉及的微波傳輸理論有一個全面深入的理解，有助于提高學(xué)生的動手操作能力。如此，學(xué)生通過自己的分析與設(shè)計，循序漸進(jìn)的理解微波理論和繁瑣的公式，可以很好地理解計算公式的應(yīng)用[5]。

3.微波器件模型求解與分析。HFSS軟件會對模型進(jìn)行分析，最后得到S參數(shù)、電場分布情況、磁場分部情況和動態(tài)傳輸過程，通過不同結(jié)構(gòu)的對比就可以很容易地分析出所設(shè)計結(jié)構(gòu)的問題所在。通過分析，可以讓學(xué)生很直觀地看到不同結(jié)構(gòu)的磁場分布情況，有利于教師進(jìn)一步分析課本磁場分布定律等[6]。

4.器件的加工與測試。微波器件結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)束后，通過對加工方式進(jìn)行分析，確定加工工藝流程，讓學(xué)生參與加工過程，通過加工過程中金屬層的材料選擇和厚度等，深入理解肌膚效應(yīng)及電導(dǎo)率對電磁傳輸特性的影響情況，通過快速制作過程，讓學(xué)生了解簡單器件的制備過程，消除學(xué)生的神秘感。對加工好的器件進(jìn)行測試，深入了解微波端口網(wǎng)絡(luò)的具體含義，通過微波測試設(shè)備的使用，使學(xué)生更清楚地了解微波端口網(wǎng)絡(luò)的真正含義[7]。

通過多方面的實踐過程，學(xué)生能更深入理解學(xué)習(xí)微波的重要性。通過動手，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，理論與實踐相結(jié)合，使學(xué)生更輕松地理解難于理解的電磁概念、設(shè)計原理等，大大提高了微波技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)效率。

四、教學(xué)實施及效果分析

微波技術(shù)課程被認(rèn)為是專業(yè)課程中比較難教、更難學(xué)的課程，而且內(nèi)容豐富，涉及范圍廣、課時還較少。通過多方面實踐教學(xué)能力的改革，有助于提高學(xué)生對課堂講授內(nèi)容的理解和分析，提高學(xué)生學(xué)習(xí)微波技術(shù)以及通信技術(shù)的興趣，在實踐教學(xué)中利用多種先進(jìn)的微波射頻仿真軟件，吸引更多的學(xué)生到微波技術(shù)專業(yè)進(jìn)行繼續(xù)深造，大力培養(yǎng)微波技術(shù)專業(yè)方向的專業(yè)人才，同時也滿足了學(xué)生的就業(yè)要求。

五、總結(jié)

隨著通信、雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，對通信與信息類的畢業(yè)生提出了更高、更多、更難的要求，同時也對高等院校的微波技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)改革指明了新的方向。通過實踐教學(xué)的改革，把平臺搭建、專業(yè)設(shè)計軟件、微波測試設(shè)備的使用、加工工藝等加入教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的在理論基礎(chǔ)上的實驗動手能力和工程設(shè)計能力，同時培養(yǎng)學(xué)生先進(jìn)的科技創(chuàng)新能力，激發(fā)他們在微波傳輸方面的想象力，打牢微波技術(shù)基礎(chǔ)理論知識，緊隨國際信息發(fā)展動態(tài)，拓寬學(xué)術(shù)視野，有望成為高質(zhì)量的微波技術(shù)工程技術(shù)專業(yè)人才，推動國內(nèi)微波雷達(dá)等信息專業(yè)的科技創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]李素萍，吳偉.“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)改革探討[J].中國電力教育，2011，（8）：108-109.

[2]仲偉志.“微波技術(shù)與天線”課程的教學(xué)改革研究[J].黑龍江科技信息，2012，（26）：185-185.

[3]黎鵬，周桐，高翔，高云霞.“電磁場與微波實驗”教學(xué)改革思考與探索[J].中國電力教育，2014，（36）：182-183.

[4]徐興，俞龍，王衛(wèi)星.“微波技術(shù)”課程實驗建設(shè)探索[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010，（7）：167-167.

[5]李淑娟，童艷榮，陳振元.HFSS技術(shù)在微波實驗中的應(yīng)用研究[J].大學(xué)物理實驗，2010，30（1）：12-15.

[6]李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計應(yīng)用詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[7]賈建科，聶翔，韓團(tuán)軍.微波技術(shù)課程實踐教學(xué)改革的探索[J].中國電力教育，2012，（5）：75-75.