“微波技術(shù)與天線”課程理論與實(shí)際相結(jié)合探討

曹維萍++張燕++蘇明++陳萬軍

摘 要：“微波技術(shù)與天線”是一門理論性較強(qiáng)的課程，在工程實(shí)際中也得到了廣泛的應(yīng)用，因此傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式也應(yīng)由純理論教學(xué)發(fā)展到理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。適當(dāng)?shù)卦黾庸こ淘O(shè)計(jì)軟件和工程應(yīng)用的實(shí)例，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情、提高學(xué)習(xí)的積極性，還可以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解該課程的重要理論，同時(shí)改善教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)與天線 實(shí)際應(yīng)用 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（c）-0226-03

“Microwave Technology and Antennas” Course Explores： Integrating Theory with Practice

Cao Weiping Zhang Yan Su Ming Chen Wanjun

（Northwest-Minzu University， Lanzhou， Gansu， 730030， China）

Abstract：“Microwave technology and antennas” is a strong theoretical course，its also widely used in engineering， so the traditional way of classroom teaching should also bedeveloped to the combination of theory and practical application from the pure theoretical teaching. Appropriately increase the engineering design software and examples of engineering application， not only can stimulate students' enthusiasm， but also help students further understanding the importance theory of the course， at the same time， improve the teaching effect.

Key Words： Microwave technology and antennas； The actual application； The teaching reform

“微波技術(shù)與天線”是電子、通信等專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]，又是應(yīng)用廣泛的課程之一。作為信息主要載體的高頻電磁波——微波不僅在衛(wèi)星通信、計(jì)算機(jī)通信、移動(dòng)通信、射頻識(shí)別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且深入到了各行各業(yè)，甚至人們的日常生活。該課程理論性較強(qiáng)，涉及大量的理論和公式，學(xué)生普遍感覺晦澀難懂，因此在授課過程中，除了將理論知識(shí)傳授給學(xué)生，還有必要增加與工程應(yīng)用相結(jié)合的內(nèi)容。如果將課堂教學(xué)與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，讓學(xué)生具體了解到該課程內(nèi)容的實(shí)際物理意義及其工程實(shí)踐意義，那么將會(huì)對(duì)學(xué)生的理解起到不可估量的作用[2]。

1 課程本身的特點(diǎn)

“微波技術(shù)與天線”這門課程主要涉及微波技術(shù)理論、天線理論及電波傳播等，該課程既有較強(qiáng)的理論性又有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性。課程的先修課程比較多，主要對(duì)高等數(shù)學(xué)、電磁場電磁波以及電路理論要求理解的多些，要求學(xué)生要有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是通信、電子專業(yè)課程中比較難學(xué)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)是基本概念基本理論抽象、分析方法多樣、公式復(fù)雜。單純?cè)谡n堂上講授理論而不和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合可能達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)目的。在課程結(jié)束后，學(xué)生依然不清楚為什么學(xué)習(xí)這門課，學(xué)習(xí)這門課究竟有什么用。

“微波技術(shù)與天線”理論整體是用“場”的分析方法，即用麥克斯韋方程結(jié)合邊界條件來分析系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這一方法對(duì)規(guī)則邊界條件可以得到嚴(yán)格的解析解，但對(duì)復(fù)雜的邊界條件，其求解過程往往非常繁雜、冗長，甚至難以得到其解。因此，對(duì)于一些本質(zhì)上屬于場但在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為電路的問題，可以應(yīng)用“路”的方法進(jìn)行求解，即在一定條件下“化場為路”，該方法因有足夠的精度，數(shù)學(xué)上又較為簡單而被廣泛采用[3]。

同時(shí)，隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，同軸線、微帶線等微波傳輸系統(tǒng)廣泛被應(yīng)用在有線電視、閉路監(jiān)控系統(tǒng)、電信傳輸系統(tǒng)等，功率分配器、隔離器、定向耦合器也得以應(yīng)用到室內(nèi)分布系統(tǒng)和基站等領(lǐng)域，天線的應(yīng)用更是無處不在，有手機(jī)天線、藍(lán)牙天線、基站天線等等。因此，微波與天性技術(shù)在很多方面體現(xiàn)了與工程應(yīng)用緊密聯(lián)系。

2 教學(xué)過程中的特點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題和不足主要表現(xiàn)

偏重理論教學(xué)，實(shí)踐環(huán)節(jié)所占的比重小或者沒有。有些學(xué)校是在大三下學(xué)期開設(shè)54學(xué)時(shí)的微波技術(shù)與天線課，有的學(xué)校是在大四上學(xué)期開設(shè)48學(xué)時(shí)的理論課，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)沒有或者較少。因此在有限的課時(shí)內(nèi)傳統(tǒng)教學(xué)方法僅僅能將基本的、重要的概念、原理和方法教授給學(xué)生，而像微波技術(shù)和天線技術(shù)的發(fā)展前沿、這些技術(shù)的工程應(yīng)用、更深一層次的學(xué)科問題涉及較少。另外缺少學(xué)科建設(shè)及科研經(jīng)費(fèi)，造成實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)儀器設(shè)備相對(duì)匱乏，實(shí)驗(yàn)不能體現(xiàn)微波與天線的工程應(yīng)用，也導(dǎo)致了教學(xué)理論性和工程應(yīng)用性不能很好結(jié)合。

“微波技術(shù)與天線”課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式比較單一。教學(xué)過程普遍采用傳統(tǒng)的“粉筆加黑板”的教學(xué)方式，雖然多媒體手段也得到了廣泛的使用，但是針對(duì)這門課程，板書所占的比重還是較多。這對(duì)于側(cè)重理論推導(dǎo)的課程，有助于讓學(xué)生充分地理解公式的由來，但同時(shí)講課的效率卻無法充分提高。

2.2 學(xué)生接受知識(shí)的狀況

課堂表現(xiàn)不積極主動(dòng)，學(xué)生興趣不高。由于“微波技術(shù)與天線”課程本身的特點(diǎn)決定了它的基本理論知識(shí)較難理解，公式推導(dǎo)較多且復(fù)雜，學(xué)生感到枯燥乏味，有的學(xué)生在第一章的學(xué)習(xí)中就感覺很費(fèi)力、跟不上，導(dǎo)致后面的內(nèi)容學(xué)起來越來越吃力。

個(gè)別章節(jié)的內(nèi)容實(shí)際應(yīng)用性非常強(qiáng)，學(xué)生無法將理論與實(shí)際相結(jié)合，因此教學(xué)的效果便大大降低。比如學(xué)生對(duì)無源微波元器件接觸較少，甚至幾乎沒有見過，所以單純?cè)谡n堂上講授微波元器件的知識(shí)總是使學(xué)生感到抽象難懂，教學(xué)效果也不夠好；學(xué)生們都樂于通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的方式來接受微波技術(shù)和天線技術(shù)的理論。

綜合上述的原因及特點(diǎn)，“微波技術(shù)與天線”課程的教學(xué)改革迫在眉睫。應(yīng)打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，充分、合理地利用多媒體和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，精心設(shè)計(jì)課程講授地形式和內(nèi)容，千方百計(jì)使枯燥乏味的學(xué)習(xí)變得生動(dòng)起來，充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高學(xué)生思考和解決問題的能力，最終的目的是培養(yǎng)出社會(huì)真正需要的創(chuàng)新型技術(shù)人才。因此，根據(jù)該課程的特點(diǎn)，為了增加實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生切身感受到這門課程的有趣有用之處，應(yīng)該增加計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等手段。

3 教學(xué)方法改革的探討

3.1 講好緒論

學(xué)生一般在每門課程的開始都充滿了好奇和興趣，一個(gè)精彩的“緒論”課能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望[2]；反之，如果第一節(jié)課講的平平淡淡，沒有懸念，學(xué)生就會(huì)對(duì)這門課失去興趣。因此，講好“緒論”顯得尤為重要。在“微波技術(shù)與天線”課程緒論的講授中，除了介紹“什么是微波、什么是天線”等內(nèi)容以外，應(yīng)重點(diǎn)列舉一些微波技術(shù)與天線在雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中、在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用實(shí)例。如微波和無線通信的關(guān)系、微波的頻段是什么、現(xiàn)代無線通信最前沿的4G指的是什么、它的頻段又是如何劃分？天線的由來、種類以及天線在各個(gè)歷史時(shí)期發(fā)展的特點(diǎn)，甚至聯(lián)系到當(dāng)下最近的新聞等等。以此來說明隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展使得射頻、微波、天線技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)無處不在，說明微波技術(shù)與天線技術(shù)是如此的重要。所以，通過在緒論中引入這些微波技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，可以使學(xué)生對(duì)該課程將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容有一個(gè)大概的了解，也可以在一定程度上明白必須學(xué)好這門課，即體會(huì)到該課程的必要性和重要性。

3.2 充分展示“圖”的魅力

一套精心制作的幻燈片是教師吸引學(xué)生眼球的法寶。為了制作這樣的幻燈片，教師應(yīng)首先對(duì)微波技術(shù)與天線課程的內(nèi)容十分熟悉。然后根據(jù)各個(gè)章節(jié)知識(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如，在緒論中播放一些用到微波技術(shù)和天線的圖片，搜集一些不同用途不同形式的天線，在微波傳輸線理論中，借助多媒體生動(dòng)、形象地來表達(dá)“場”這一看不見摸不著的物質(zhì)，幫助學(xué)生在腦海中建立“場”的映象，在均勻無耗傳輸線的工作狀態(tài)分析中除了用每一種工作狀態(tài)的電壓電流幅度波形、輸入阻抗圖形來展示傳輸線上電壓電流和阻抗的分布特點(diǎn)，還可以將3種工作狀態(tài)下的圖形進(jìn)行比較。當(dāng)然，對(duì)于Smith阻抗圓圖和阻抗匹配的內(nèi)容還是通過板書畫圖的形式呈現(xiàn)出來更恰當(dāng)一些，因?yàn)檫@樣一來，學(xué)生就可以跟著教師的步驟一步步學(xué)會(huì)阻抗的匹配計(jì)算。對(duì)于天線技術(shù)理論，可借助的圖片和動(dòng)畫就更多了，可以用一個(gè)無線通信系統(tǒng)收發(fā)信號(hào)的動(dòng)畫來說明天線在其中的功能和作用，用動(dòng)畫展示天線輻射電磁波的機(jī)理，更可以用動(dòng)畫演示天線的基本電參數(shù)特性，比如天線極化的方式、三維立體方向圖、天線波束下頃演示等，另外，還可以收集一些不同種類天線的圖片展示給學(xué)生，充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生學(xué)習(xí)微波技術(shù)與天線的興趣，使學(xué)生對(duì)所學(xué)的基本理論有個(gè)直觀、形象的認(rèn)識(shí)，有助于對(duì)書本理論的理解。這樣既避免了教師在講授基本原理基本理論時(shí)的枯燥乏味，又加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解程度，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果?？傊?，應(yīng)充分利用多媒體輔助教學(xué)的優(yōu)勢，采用板書和多媒體互補(bǔ)的授課方式。

3.3 使用相關(guān)的仿真軟件

微波射頻領(lǐng)域主要的仿真軟件有Agilent公司的ADS（Advanced Design System）軟件和Ansoft公司的HFSS、Designer軟件以及Microwave Office等設(shè)計(jì)軟件。在課堂教學(xué)中有必要將上述軟件介紹給學(xué)生。

其中Ansoft HFSS是一個(gè)基于有限元法的交互軟件包。它可以將幾何結(jié)構(gòu)自動(dòng)剖分成大量的四面體。使用Ansoft HFSS可以計(jì)算：基本電磁場量E、H；開邊界問題的輻射近遠(yuǎn)場；端口特性阻抗和傳輸常數(shù)；S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)；一種結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解[4]。在天線理論教學(xué)中可以采用Ansoft HFSS仿真軟件開展基于仿真平臺(tái)的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的仿真設(shè)計(jì)，通過仿真對(duì)稱振子天線、微帶天線等使學(xué)生學(xué)會(huì)仿真的基本步驟，通過分析仿真結(jié)果能清楚地區(qū)分E面和H面方向圖，同時(shí)可以得到阻抗、增益、頻率、插入損耗、帶寬等參數(shù)，進(jìn)而理解天線的輻射原理。

而Microwave Office是一個(gè)運(yùn)行在Windows環(huán)境下的可視化微波電路設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供了一種圖形化的輸入方法，更方便進(jìn)行傳輸線理論的研究。通過引入計(jì)算機(jī)仿真軟件，不僅可以使學(xué)生更好地理解“微波技術(shù)與天線”課程的基本概念、基本原理，還能通過使用仿真軟件掌握它的基本操作和設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)使學(xué)生對(duì)微波與天線技術(shù)產(chǎn)生濃厚的興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，也提高了學(xué)習(xí)效率。因此課堂教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，既豐富了課堂的內(nèi)容，也充分調(diào)動(dòng)了教師的積極性和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)使學(xué)生學(xué)有所得。

3.4 教學(xué)內(nèi)容和方法改革

“微波技術(shù)與天線”課程是一門理論性和工程性都較強(qiáng)的課程，所以在課程內(nèi)容的安排上應(yīng)以實(shí)際應(yīng)用為主線，在教學(xué)內(nèi)容上適當(dāng)增加一些前沿的、熱門的知識(shí)，教學(xué)過程中積極引導(dǎo)，努力改變理論教學(xué)的枯燥乏味，使其變得生動(dòng)形象，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；其次在教學(xué)方法上不斷改進(jìn)，嘗試進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革，將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與課堂教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)來補(bǔ)充課堂教學(xué)。理論教學(xué)的同時(shí)積極申報(bào)更多的實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，給學(xué)生創(chuàng)造更多的實(shí)踐動(dòng)手的機(jī)會(huì)。將科研成果引入到教學(xué)環(huán)節(jié)中，開拓學(xué)生的眼界，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與到實(shí)踐鍛煉的活動(dòng)中。

4 結(jié)語

教學(xué)改革是一個(gè)長期不斷探索、不斷完善的過程。為了使相關(guān)課程的教學(xué)更好地服務(wù)于學(xué)生，應(yīng)該在教學(xué)內(nèi)容上不斷調(diào)整，適當(dāng)增加一些前沿的、熱門的知識(shí)，在相關(guān)章節(jié)內(nèi)容教授完之后引入工程設(shè)計(jì)軟件，使學(xué)生對(duì)該課程產(chǎn)生濃厚的興趣，進(jìn)一步培養(yǎng)實(shí)際科研能力，提高學(xué)習(xí)效率，為今后畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事微波技術(shù)和天線的科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[5] 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.