ADS軟件在電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

孫翠珍

[摘 要] 針對(duì)“電磁場與微波技術(shù)”課程理論性強(qiáng)、概念抽象、教學(xué)難等特點(diǎn)，在教學(xué)過程中引入了電磁場微波類的輔助教學(xué)工具ADS軟件?？梢暂^大程度地提高學(xué)生學(xué)習(xí)微波射頻電路的興趣，從而達(dá)到改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

[關(guān) 鍵 詞] 電磁場與微波技術(shù)教學(xué)；ADS軟件；微波射頻電路；教學(xué)效果

[中圖分類號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）03-0100-02

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，作為信息主要載體發(fā)展方向的高頻電磁波——微波，不僅在衛(wèi)星通信、計(jì)算機(jī)通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)等高科技領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且已經(jīng)深入人們的日常生活中。

而現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)課時(shí)較少，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件缺乏，造成了學(xué)生很難獲得直觀印象和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，為了改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其實(shí)踐創(chuàng)新能力，有必要將仿真設(shè)計(jì)軟件引入該課程的教學(xué)過程中。

一、教學(xué)中遇到的問題

（一）老師不好教

1.電磁場理論基礎(chǔ)

電磁場理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)部分是矢量分析與場論，主要講授矢量的散度、旋度和標(biāo)量的梯度等概念及運(yùn)算，為后面場的分析與運(yùn)算打基礎(chǔ)。

由于理論教學(xué)課時(shí)限制，同時(shí)考慮到學(xué)生在“大學(xué)物理”中已經(jīng)有電磁學(xué)的基礎(chǔ)，電磁場與電磁波課程主要是在介紹電磁場中的基本場矢量、積分形式的麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上，結(jié)合矢量分析重點(diǎn)闡述微分形式麥克斯韋方程組的各種場之間的共性和個(gè)性?？梢钥闯?，該課程對(duì)數(shù)學(xué)、物理、工程數(shù)學(xué)等不同課程體系的知識(shí)都有所要求，所以對(duì)任課老師的知識(shí)面和教學(xué)方法有著很高的要求。

2.微波技術(shù)基礎(chǔ)

微波技術(shù)課程是相關(guān)后續(xù)課程“天線與電波傳播、衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。講授的內(nèi)容主要包括傳輸線的分布參數(shù)、傳輸線的工作狀態(tài)、圓圖及其應(yīng)用、阻抗匹配、矩形波導(dǎo)、微帶線、微波網(wǎng)絡(luò)和微波元件等內(nèi)容。

（二）學(xué)生不好學(xué)

傳統(tǒng)的電磁場與微波技術(shù)系列課程存在兩大缺陷：單獨(dú)的課程羅列，沒有體現(xiàn)課程之間的內(nèi)在聯(lián)系；課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)沒有體現(xiàn)工程意識(shí)，學(xué)生獨(dú)立完成的內(nèi)容少。

電磁場與微波技術(shù)課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以事實(shí)性知識(shí)傳授為教學(xué)目標(biāo)，即課程內(nèi)容是介紹“是什么”“為什么”，而缺乏“怎么做”“怎么用”，過分強(qiáng)調(diào)理論，而缺乏對(duì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。另外，由于該系列課程的基礎(chǔ)課程“矢量分析”“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等課程的任課老師不是專業(yè)課老師，沒有進(jìn)行通信類專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，因此在教學(xué)過程中必然缺乏對(duì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，沒有針對(duì)性地對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生在上課內(nèi)容上有所側(cè)重，也是學(xué)生在具體學(xué)習(xí)過程中感到學(xué)習(xí)內(nèi)容空洞抽象、難度大的一個(gè)原因。

二、改革方法——將ADS軟件引入教學(xué)

現(xiàn)有的改革方法包括將理論教學(xué)與日常生活聯(lián)系起來；將教學(xué)過程與科研緊密結(jié)合；通過制作生動(dòng)形象的多媒體課件；采用“對(duì)比教學(xué)法”，將分析方法相似或分析問題相近的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比式教學(xué)，使學(xué)生加深對(duì)以往學(xué)習(xí)內(nèi)容和新學(xué)習(xí)內(nèi)容的區(qū)別與聯(lián)系的理解等方法。

三、ADS軟件仿真實(shí)例

ADS仿真軟件集合了多種EDA軟件的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行頻域、時(shí)域仿真，線性、非線性電路仿真，數(shù)字電路、模擬電路仿真。其強(qiáng)大的仿真功能和較高的準(zhǔn)確性，已經(jīng)得到業(yè)界的普遍認(rèn)可，成為業(yè)界最為流行的射頻EDA軟件。把它應(yīng)用到電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中可將抽象的電磁場可視化，這樣可以減少繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)運(yùn)算，把師生從繁瑣重復(fù)的低級(jí)勞動(dòng)中解放出來，進(jìn)而用更多的時(shí)間來理解抽象的概念。從理論模型的數(shù)學(xué)建模、虛擬仿真，再到模型參數(shù)修正等一整套過程，還可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的科研能力。

下面以微波濾波器為例來闡述ADS軟件在射頻微波電路中的應(yīng)用及特點(diǎn)。

（一）仿真目標(biāo)

微波濾波器的設(shè)計(jì)要求：帶內(nèi)衰減小于2dB；通帶3-3.1GHz；端口反射系數(shù)小于-20dB；2.8GHz以下，3.3GHz以上衰減大于40dB。要求利用ADS軟件根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算出所需要的微波傳輸線的尺寸。

（二）具體過程

在進(jìn)行微波濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)，主要是以濾波器的散射參數(shù)S作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真的。

首先利用ADS軟件實(shí)現(xiàn)濾波器仿真，再利用S參數(shù)仿真控制器來仿真S曲線。下圖是完整的濾波器仿真原理圖。

完整的濾波器仿真原理圖

四、結(jié)束語

利用ADS軟件所設(shè)計(jì)優(yōu)化的微帶濾波器尺寸計(jì)算準(zhǔn)確，且隨著設(shè)計(jì)參數(shù)要求可以實(shí)時(shí)改變。另外，各種類型的微波濾波器都可以實(shí)現(xiàn)。因此，可以在微波與射頻電路的相關(guān)教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)輔助軟件——ADS軟件，可以克服由于微波波段的實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴而對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容發(fā)展造成的影響，把抽象的、理論性強(qiáng)的各種微波電路的設(shè)計(jì)，通過屏幕直接在課堂中展示給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電磁場與微波技術(shù)相關(guān)概念和相關(guān)電路的掌握，最終達(dá)到改善教學(xué)效果的目的。

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