虛實(shí)結(jié)合的偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐

譚立容 袁迎春 張照鋒 王抗美

摘要：為了提高天線類課程的教學(xué)效果，設(shè)計(jì)了偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。該教學(xué)環(huán)節(jié)基于建設(shè)的課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，讓學(xué)生利用HFSS電磁仿真軟件完成偶極子天線的建模、仿真。在仿真中，學(xué)生還需圍繞思考題，探究不同偶極子天線尺寸參數(shù)對(duì)天線仿真結(jié)果的影響，從而進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到仿真實(shí)驗(yàn)規(guī)律，分組制作不同中心頻率的天線實(shí)物，最后測(cè)試天線來驗(yàn)證仿真。調(diào)研結(jié)果顯示，通過該教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生更好地理解了偶極子天線相關(guān)概念，學(xué)生綜合能力得到了提高。

關(guān)鍵詞：仿真實(shí)驗(yàn);電磁仿真軟件;偶極子天線;高職院校

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）01-0254-03

1概述

天線類課程是許多高校相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的課程，但是天線類課程往往也是讓許多學(xué)生聞之色變的課程，因?yàn)橄嚓P(guān)理論抽象、數(shù)學(xué)公式很多，導(dǎo)致許多知識(shí)儲(chǔ)備不夠、理論基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生很頭痛。在高職院校以上問題更為突出，例如，在筆者所在高職學(xué)校，傳統(tǒng)教學(xué)方式已經(jīng)不適于運(yùn)用于《天線安裝與調(diào)試》教學(xué)，不利于對(duì)學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。因?yàn)樵撜n程的相關(guān)理論比較抽象、難理解，單看書看不懂，而課程總學(xué)時(shí)僅28學(xué)時(shí)。

為了解決這些問題，再加上天線技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生不光需要學(xué)習(xí)各種硬件設(shè)備，例如：網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波器件、頻譜儀等，還需要學(xué)習(xí)行業(yè)軟件。HFSS軟件是一個(gè)在射頻微波業(yè)界廣泛應(yīng)用的商業(yè)化電磁場(chǎng)仿真軟件，學(xué)習(xí)該軟件對(duì)于學(xué)生就業(yè)或?qū)磉m應(yīng)崗位具有一定幫助。為了滿足教學(xué)的需求，很多學(xué)者開展了相關(guān)的仿真教學(xué)研究：屈樂樂、楊天虹等學(xué)者為了解決在天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)開設(shè)不夠的問題，開展了基于HFSS仿真軟件的實(shí)驗(yàn)課程改革，節(jié)省了設(shè)備資源、提高了教學(xué)效果;為了讓學(xué)生更好理解微帶天線的原理，李俊生結(jié)合HFSS軟件仿真讓學(xué)生從多方面、多角度地理解，在教學(xué)中取得了較好的課堂教學(xué)效果。

偶極子天線是天線類教材里常見天線，是相關(guān)課程必修內(nèi)容，但高職學(xué)生往往比較難理解其抽象的理論，他們自主學(xué)習(xí)能力弱、動(dòng)手能力稍好。常規(guī)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)缺乏數(shù)字校園環(huán)境下課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的支持，缺乏動(dòng)手測(cè)試天線實(shí)物的仿真驗(yàn)證，效果欠佳。為了提高《天線安裝與調(diào)試》課程教學(xué)質(zhì)量，解決以上存在問題，需要探索新的教學(xué)方法，通過設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)踐的仿真實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生理解相關(guān)概念。

2偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

采用HFSS軟件設(shè)計(jì)分析如圖1所示半波偶極子天線，天線材料為銅，銅絲直徑是a=2mm，通過設(shè)計(jì)讓天線工作頻率為0.6 GHz;并分析討論半波偶極子天線的天線臂長(zhǎng)度變化的影響。

2.2設(shè)計(jì)步驟

打開軟件Ansoft HFSS，新建一個(gè)項(xiàng)目，為將建立的模型設(shè)置適合的單位和求解類型，在HFSS中添加如下變量：

接著創(chuàng)建半波偶極子天線3D模型，包括天線的上臂（對(duì)應(yīng)坐標(biāo)原點(diǎn)上方圓柱體）、下臂（對(duì)應(yīng)坐標(biāo)原點(diǎn)下方圓柱體）和天線的饋電端口（對(duì)應(yīng)上下圓柱體中間的矩形塊），如下圖：

給天線模型設(shè)置材料特性，在軟件操作界面中同時(shí)選中天線的上下臂，將其材料屬性設(shè)置為理想導(dǎo)體pec。在天線的饋電端口創(chuàng)建集總端口激勵(lì)，設(shè)置端口阻抗值和積分線。再創(chuàng)建空氣盒，將其設(shè)置為輻射邊界屬性。

采用在授課教材或課程網(wǎng)站仿真視頻里介紹的參數(shù)掃描方法.選擇Project工作區(qū)的Optimetrics，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇Paramtric項(xiàng)，對(duì)設(shè)置的變量進(jìn)行參數(shù)掃描，觀察半波偶極子天線的天線臂長(zhǎng)度等參數(shù)變化時(shí)對(duì)天線性能參數(shù)帶來的影響，從而找到恰當(dāng)?shù)闹祦頋M足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3仿真實(shí)驗(yàn)思考題

在學(xué)生明確了偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)步驟后，還需要給學(xué)生相關(guān)思考題，讓學(xué)生從中有所啟迪，通過自己思考并在仿真中尋求答案，從而能真正掌握相關(guān)知識(shí)。因此，圍繞偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在網(wǎng)上課程平臺(tái)布置如下思考題：

（1）在圖2中各變量代表什么？

（2）當(dāng)我們改變變量lambda值會(huì)怎樣？

（3）改變變量dip_length又會(huì)怎樣？

（4）變量res_length為什么要乘以系數(shù)0.485呢？

（5）偶極子天線的天線臂長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)變量？

3偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

3.1教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

在偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)開展教學(xué)實(shí)踐時(shí)，先由教師提出評(píng)價(jià)考核標(biāo)準(zhǔn)和天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)，再讓學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)完成偶極子天線的理論知識(shí)學(xué)習(xí)和仿真調(diào)試，并完成仿真實(shí)驗(yàn)思考題，具體如下：

（1）老師先簡(jiǎn)單說明仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排、評(píng)價(jià)考核標(biāo)準(zhǔn)和仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)的具體要求（如圖4所示），讓學(xué)生有目的、帶著問題完成布置的課程任務(wù)，同時(shí)也避免了抄襲;

（2）教師在課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上發(fā)布偶極子天線學(xué)習(xí)資料和仿真視頻，視頻里有具體步驟，方便學(xué)生完成仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù);

（3）學(xué)生在課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)線上觀看學(xué)習(xí)資料和視頻，老師在課堂上或者通過qq等平臺(tái)輔導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)課程基礎(chǔ)知識(shí)和所需仿真軟件;

（4）在教師激勵(lì)和指導(dǎo)下，學(xué)生按照課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的操作視頻完成偶極子天線的仿真設(shè)計(jì);

（5）每個(gè)學(xué)生需以“半波偶極子天線的尺寸參數(shù)變化的影響”為主題完成仿真微視頻，并上傳到課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái);

（6）教師和學(xué)生對(duì)上傳的網(wǎng)上視頻進(jìn)行評(píng)價(jià)，再結(jié)合學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)思考題的回答情況，給予打分。

（7）根據(jù)半波偶極子天線的定義和所得到仿真規(guī)律分組實(shí)現(xiàn)不同中心頻率的天線，按照以下制作步驟得到對(duì)應(yīng)天線實(shí)物并用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線回波損耗等參數(shù)來驗(yàn)證仿真。

制作偶極子天線步驟：

1）選擇半徑為1mm的銅絲作為制作偶極子天線兩端的材料。

2）根據(jù)仿真模型將銅絲制作成兩根相應(yīng)長(zhǎng)度的銅條，將兩根銅條一端的漆和氧化銅刮掉，便于后面的焊接。

3）準(zhǔn)備一根特性阻抗為50歐姆的同軸電纜，取電纜頂端約2cm左右長(zhǎng)度，將其外層的黑色橡膠層剝?nèi)?。露出漁網(wǎng)狀細(xì)銅絲包裹的白色橡膠層，將漁網(wǎng)狀細(xì)銅絲擰成一股，再將白色橡膠層剝?nèi)ィ詈舐冻鐾S電纜中心銅絲。

4）預(yù)熱電烙鐵，待電烙鐵加熱完畢。將事先刮好的銅條一根焊接在擰好的漁網(wǎng)狀細(xì)銅絲上，另一根焊接在同軸電纜的中心銅絲上。

3.2教學(xué)實(shí)踐的教學(xué)效果

在完成“偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)實(shí)踐后，各組學(xué)生得到類似如下圖所示天線工作波長(zhǎng)lambda對(duì)天線s11參數(shù)影響的規(guī)律曲線，再根據(jù)仿真制作了類似如下圖所示不同中心頻率的偶極子天線實(shí)物。

開展的課程問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：至少百分之九十以上的學(xué)生在課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和老師幫助下通過“偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)實(shí)踐后，使解決問題的能力提高了，通過仿真更好地理解了天線的基本概念;95.2%的學(xué)生認(rèn)為“偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)環(huán)節(jié)在促進(jìn)學(xué)生積極思維方面的效果到達(dá)“優(yōu)秀”或“比較好”。

4結(jié)論

由調(diào)查結(jié)果可見，采用“偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)后增加了學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)和動(dòng)手時(shí)間，有利于提高學(xué)生綜合能力，能更好地幫助學(xué)生理解天線相關(guān)基本概念。課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下虛實(shí)結(jié)合的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果更好，更直觀地讓學(xué)生理解了偶極子天線基本概念，同時(shí)避免了老師給學(xué)生反復(fù)講解常規(guī)軟件操作步驟，讓老師有更多時(shí)間集中在重點(diǎn)問題。以上教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思路也可以推廣到其他采用了輔助軟件的課程教學(xué)中。