“微波技術(shù)與天線”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

劉雙兵，余建立

（巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

“微波技術(shù)與天線”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

劉雙兵，余建立

（巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要，培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才，文章針對“微波技術(shù)與天線”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多、學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^差、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏應(yīng)用性等現(xiàn)象，探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過虛擬實(shí)驗(yàn)在線課程、微波測量實(shí)驗(yàn)、微波通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)逐步培養(yǎng)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)與應(yīng)用、實(shí)踐操作能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力，形成“理論—應(yīng)用—?jiǎng)?chuàng)新”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，鍛煉了學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新思維，體現(xiàn)高層次應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

微波技術(shù)與天線；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；創(chuàng)新

“微波技術(shù)與天線”是巢湖學(xué)院電子信息工程和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，兼具理論性和應(yīng)用性。該課程包括微波技術(shù)、天線與電波傳播和微波應(yīng)用系統(tǒng)3個(gè)部分[1]，內(nèi)容涵蓋電磁場理論、路技術(shù)、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和微波元器件等，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，實(shí)際應(yīng)用十分廣泛[2]。課程教學(xué)內(nèi)容具有基本概念抽象、分析方法靈活多樣、公式推導(dǎo)復(fù)雜等特點(diǎn)[3]。“微波技術(shù)與天線”實(shí)驗(yàn)課程對學(xué)生掌握基本理論、知識和技能，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮了重要作用[4]。

傳統(tǒng)的微波技術(shù)測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)偏重理論知識的驗(yàn)證與應(yīng)用、實(shí)踐操作能力的訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)教學(xué)基于矩形波導(dǎo)傳輸線對頻率、波導(dǎo)波長、負(fù)載阻抗、定向耦合器性能等基本參數(shù)的測量與分析計(jì)算。對于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以幫助學(xué)生掌握微波信號源、選頻放大器、功率計(jì)等微波測量儀器的使用，同時(shí)更好地理解微波技術(shù)相關(guān)理論知識，如通過波導(dǎo)波長的測量，使學(xué)生了解到矩形波導(dǎo)內(nèi)傳輸主模TE10的波導(dǎo)波長不僅與自由空間波長有關(guān)，且與矩形波長寬邊長度有關(guān)。但由于微波技術(shù)測量實(shí)驗(yàn)局限于矩形波導(dǎo)傳輸線，不利于學(xué)生對應(yīng)用更廣泛的微帶線、帶狀線等開放式傳輸線的理解和應(yīng)用。

為了培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用能力，提高學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新能力，有必要對實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核機(jī)制進(jìn)行改革，加大創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置[5]。在現(xiàn)有“微波技術(shù)與天線”實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，嘗試了“理論—應(yīng)用—?jiǎng)?chuàng)新”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，力求通過專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鍛煉學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新思維，培養(yǎng)出高層次應(yīng)用技術(shù)型人才。

1 注重理論與應(yīng)用，開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)在線課程

“微波技術(shù)與天線”虛擬實(shí)驗(yàn)是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，使抽象的微波技術(shù)理論知識形象化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用能力。將虛擬實(shí)驗(yàn)與當(dāng)前不斷發(fā)展壯大的在線課程相結(jié)合，為學(xué)生提供隨時(shí)隨地開展學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作的良好平臺(tái)，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，同時(shí)方便授課教師及時(shí)地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)和知識掌握情況。

通過課程組教師的共同探討，逐步形成了“微波技術(shù)與天線”虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框架，每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K針對課程抽象的理論知識進(jìn)行波形演示、綜合應(yīng)用以及分析計(jì)算，實(shí)驗(yàn)操作簡潔明了，知識應(yīng)用具體生動(dòng)。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K詳情如下。

（1）傳輸線方程解的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，該模塊中學(xué)生可以設(shè)置傳輸線的工作參數(shù)，如無耗或有耗、傳輸線特性阻抗等，通過改變終端負(fù)載阻抗，觀測傳輸線上電壓或電流的入射波、反射波以及合成波的波形。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K演示了傳輸線方程解的組成部分，在有耗和無耗條件下傳輸線上電壓或電流的特點(diǎn)，當(dāng)終端接不同負(fù)載阻抗時(shí)傳輸線上將產(chǎn)生行波、駐波和行駐波狀態(tài)，有助于學(xué)生對傳輸線方程解的理解和掌握。

（2）傳輸線輔助分析虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K包含6個(gè)子模塊，分別對應(yīng)傳輸線工作狀態(tài)參量輸入阻抗、反射系數(shù)和電壓駐波比之間的相互轉(zhuǎn)換、已知終端負(fù)載求任意位置處的輸入阻抗、已知電壓波腹點(diǎn)或波節(jié)點(diǎn)位置求終端負(fù)載阻抗及其逆問題求解、λ/4阻抗匹配問題求解以及并聯(lián)支節(jié)阻抗調(diào)配問題的分析計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)?zāi)K涉及微波技術(shù)理論部分的分析計(jì)算，使學(xué)生深刻理解傳輸線工作狀態(tài)參量之間的換算關(guān)系、阻抗匹配的方法及其不同特征。

（3）阻抗匹配波形演示虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，通過學(xué)生選取不同的阻抗匹配方法，并輸入相關(guān)參數(shù)，觀察各段傳輸線上的電壓或電流波形，讓學(xué)生了解到只有滿足阻抗匹配條件下，主傳輸線上才能產(chǎn)生行波狀態(tài)，并使學(xué)生深刻理解采用反射抵消反射的阻抗匹配思想，開發(fā)學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新思維能力。

（4）矩形波導(dǎo)場分布虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生通過設(shè)置矩形波導(dǎo)的幾何長度、電磁波頻率和內(nèi)部填充介質(zhì)的介電常數(shù)，了解電場、磁場和電流在矩形波導(dǎo)內(nèi)的場分布，學(xué)習(xí)并掌握矩形波導(dǎo)傳輸線內(nèi)的電磁波分布規(guī)律，為后續(xù)設(shè)計(jì)波導(dǎo)縫隙天線提供必要的理論基礎(chǔ)。

（5）基本輻射單元方向圖實(shí)驗(yàn)?zāi)K，演示了電偶機(jī)子、磁偶極子、基本縫隙、惠更斯面元等構(gòu)成的實(shí)際天線基本單元在空間產(chǎn)生的輻射場，包括立體方向圖、E面方向圖和H面方向圖，使學(xué)生對天線相關(guān)的基本概念和電參數(shù)有形象認(rèn)識和掌握。

（6）對稱振子方向圖實(shí)驗(yàn)?zāi)K，使學(xué)生形象了解對稱振子的遠(yuǎn)區(qū)空間輻射場的具體情況，對稱振子的方向性函數(shù)與振子的臂長有關(guān)，是振子臂電氣長度的函數(shù)。振子臂長較短時(shí)，波瓣較寬，方向性較差；隨著臂長增加，方向性逐漸改善；但是臂長超過半個(gè)波長時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些邊波瓣，甚至?xí)怪鞑ò臧l(fā)生分裂。使學(xué)生明白對稱振子的臂長在1/4波長附近時(shí)，沒有邊波瓣，主波瓣隨臂長的變化也不顯著，半波對稱振子在天線中得到普遍應(yīng)用。

對“微波技術(shù)與天線”虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生在課外時(shí)間用學(xué)號登錄在線課程平臺(tái)，并自主完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提交最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)。授課教師通過在線課程平臺(tái)審閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告并加以評分，虛擬實(shí)驗(yàn)最終成績合成為期末成績的20%進(jìn)行考核。實(shí)踐證明，“微波技術(shù)與天線”虛擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了學(xué)生理解和掌握抽象的理論知識，提高了學(xué)生的基本知識應(yīng)用和實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生一定的創(chuàng)新思維能力。

2 重視實(shí)踐能力訓(xùn)練 開設(shè)微波測量實(shí)驗(yàn)課程

“微波技術(shù)與天線”虛擬實(shí)驗(yàn)在理論學(xué)習(xí)和知識應(yīng)用方面發(fā)揮了重要作用，但是并不能替代硬件系統(tǒng)構(gòu)成的微波測量實(shí)驗(yàn)，后者對學(xué)生鍛煉基本測量儀器使用、實(shí)踐操作能力培養(yǎng)等方面的效果更加明顯，因此，開展微波測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有同等重要的作用。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括頻率測量、波導(dǎo)波長測量、阻抗測量、微波功率與衰減測量、阻抗調(diào)配和定向耦合器的性能測量等，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菓?yīng)用微波技術(shù)的理論知識，理解微波測量系統(tǒng)的工作原理，掌握微波信號源、晶體檢波器、選頻放大器等基本測量儀器的使用，探索矩形波導(dǎo)主模傳輸情況下內(nèi)部電場沿軸線的分布規(guī)律，提高專業(yè)實(shí)驗(yàn)基本操作和數(shù)據(jù)分析與處理等能力。

巢湖學(xué)院微波測量實(shí)驗(yàn)可開展6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中綜合性與應(yīng)用性較強(qiáng)的阻抗測量和阻抗調(diào)配作為必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，余下4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中任選2個(gè)，每個(gè)學(xué)生必須完成4個(gè)微波測量實(shí)驗(yàn)，計(jì)8學(xué)時(shí)。對于必選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析計(jì)算和Smith圓圖圖解處理，可對應(yīng)于“微波技術(shù)與天線”虛擬實(shí)驗(yàn)中的傳輸線輔助分析和阻抗匹配實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目加以擴(kuò)展，同時(shí)應(yīng)用Smith V2.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，此舉加深了學(xué)生對傳輸線理論的理解，增強(qiáng)了學(xué)生微波工程基本工具的應(yīng)用技能技巧。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成后，學(xué)生提交完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，授課教師及時(shí)審閱和評分，微波測量實(shí)驗(yàn)最終成績合成為期末成績的30%進(jìn)行考核。

3 提升應(yīng)用創(chuàng)新能力，開展微波通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)

課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)不僅讓學(xué)生掌握理論驗(yàn)證、知識應(yīng)用、動(dòng)手能力和實(shí)踐技能，更要注重學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的激發(fā)與培養(yǎng)。在“微波技術(shù)與天線”虛擬實(shí)驗(yàn)和微波測量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，綜合微波技術(shù)、無線通信、射頻電路、天線技術(shù)等課程體系，構(gòu)建微波TV收發(fā)機(jī)通信系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，開展微波通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。微波通信系統(tǒng)組成框如圖1所示。

圖1 微波通信系統(tǒng)組成框

微波通信系統(tǒng)按照圖1連接測試系統(tǒng)，其中微波發(fā)信機(jī)包括調(diào)制器、上變頻器、本振、射頻濾波器和射頻放大器等模塊，微波收信機(jī)由低噪聲放大器、下變頻器、本振、中頻濾波器、中頻放大器、解調(diào)器等模塊組成。微波通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)分為兩個(gè)階段，即微波通信系統(tǒng)各個(gè)模塊的測試階段和綜合設(shè)計(jì)階段。

3.1 微波通信系統(tǒng)模塊測試

為促進(jìn)學(xué)生對微波技術(shù)、通信原理、天線理論等專業(yè)理論知識的應(yīng)用，微波通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)要求學(xué)生使用微波信號發(fā)生器、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率計(jì)等測試儀器對微波通信系統(tǒng)中單個(gè)功能模塊進(jìn)行測量，了解各個(gè)器件的工作原理和特性，掌握器件的技術(shù)指標(biāo)測量方法，深刻理解微波通信系統(tǒng)各組成模塊的功能。

微波通信系統(tǒng)功能模塊測試實(shí)訓(xùn)可開設(shè)13個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，實(shí)訓(xùn)模塊如圖2所示，其中前3個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目作為必選，要求掌握基本測試儀器的使用，余下的10個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中任選一個(gè)，即要求學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣自主選擇某個(gè)器件進(jìn)行測試和分析，掌握該器件的概念、原理、特性參數(shù)和功能，為下一階段的綜合設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。每個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目完成后，學(xué)生提交完整的實(shí)訓(xùn)報(bào)告，本階段最終成績合成為期末成績的30%進(jìn)行考核。

圖2 微波通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

3.2 微波通信系統(tǒng)模塊綜合設(shè)計(jì)

為提高學(xué)生的知識應(yīng)用水平，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)創(chuàng)新能力，在微波通信系統(tǒng)模塊測試基礎(chǔ)上，開展微波電路與器件的綜合設(shè)計(jì)教學(xué)。要求學(xué)生結(jié)合自選的微波通信系統(tǒng)模塊測試實(shí)訓(xùn)心得體會(huì)，借助頻譜分析儀等儀器測試對擬設(shè)計(jì)微波器件的輸入、輸出信號頻譜，明確電路功能和設(shè)計(jì)目標(biāo)，并進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，確定設(shè)計(jì)方案。

為保障學(xué)生綜合設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，一方面以分組形式開展，即擬設(shè)計(jì)電路相同的學(xué)生可以由3～4人組成一個(gè)實(shí)訓(xùn)團(tuán)隊(duì)，任務(wù)分解、方案討論、共同完成；另一方面授課教師在學(xué)生實(shí)施設(shè)計(jì)過程中及時(shí)提供必要的理論指導(dǎo)，同時(shí)巢湖學(xué)院的“微波技術(shù)與天線”應(yīng)用型課程開發(fā)與建設(shè)項(xiàng)目為學(xué)生的電路加工制作提供了經(jīng)費(fèi)保障。學(xué)生通過微波通信系統(tǒng)信號測試、電路設(shè)計(jì)理論分析、ADS或HFSS專業(yè)軟件仿真分析和優(yōu)化、實(shí)物制作、實(shí)驗(yàn)測試等過程完成整個(gè)微波電路的設(shè)計(jì)，撰寫電路設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)報(bào)告。該報(bào)告成績合成為期末成績的20%進(jìn)行考核。

實(shí)踐表明，微波通信系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、理論與實(shí)踐相結(jié)合、創(chuàng)新思維等諸多方面的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提升了學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際問題和創(chuàng)新探索的能力。在該課程基礎(chǔ)上，學(xué)生以“環(huán)境無線能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”為選題成功申報(bào)巢湖學(xué)院皖維科技創(chuàng)新孵化基金項(xiàng)目1項(xiàng)，以“DGS微帶濾波器設(shè)計(jì)”“CPW低通濾波器設(shè)計(jì)”“微帶濾波天線設(shè)計(jì)”等選題完成畢業(yè)設(shè)計(jì)多篇，體現(xiàn)了學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力得到了一定提高。

4 結(jié)語

為適應(yīng)社會(huì)對專業(yè)人才的需求，符合巢湖學(xué)院應(yīng)用型本科高校的定位，探索了“微波技術(shù)與天線”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，闡述了課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式，提出了“理論—應(yīng)用—?jiǎng)?chuàng)新”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過虛擬實(shí)驗(yàn)在線課程促進(jìn)學(xué)生掌握課程理論知識，通過微波測量實(shí)驗(yàn)鍛煉了學(xué)生的知識應(yīng)用和實(shí)踐操作技能，通過微波通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)了學(xué)生專業(yè)創(chuàng)新思維和能力，對“微波技術(shù)與天線”課程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展了有益探索。

[1] 劉學(xué)觀.微波技術(shù)與天線[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

[2] 傅文斌.微波技術(shù)與天線[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[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] 趙同剛，趙安新，陳迅.電磁場與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和探索[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2015（3）：101-105.

[5] 郭慶，海鶯，趙中華，等.基于創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核模式改革探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017（7）：175-177.

Exploration of experimental teaching mode of“Microwave Technology and Antenna” course

Liu Shuangbing, Yu Jianli
（Mechanical and Electric Engineering Department of Chaohu College, Hefei 238000, China）

In order to meet the needs of social development and cultivate practical and innovative talents, this paper aiming at the phenomenon in experimental teaching of “Microwave Technology and Antenna” course, such as overmuch con fi rmatory experiments,poor autonomous experimental ability and lack of applicability, explores the innovation experimental teaching mode. The abilities of theoretical learning and application, practical operation and applied innovation are gradually cultivated by virtual experiment online course, microwave measurement experiment and microwave communication system training. The experiment teaching mode of “theory,application, innovation” is formed for exercising the professional innovative thinking, aiming at cultivating high level application of technical talents.

microwave technology and antenna; experimental teaching; innovation

安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：gxyqZD2016291。巢湖學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：ch15yykc06。巢湖學(xué)院課程教改一般項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：ch16kcjgxm14。

劉雙兵（1982— ），男，安徽宿松人，實(shí)驗(yàn)師，碩士；研究方向：“微波技術(shù)與天線”的教學(xué)以及新型天線。