《天線原理與設(shè)計》虛擬仿真實驗教學改革研究

卞立安 吳麗娟 李彤 崔立勇 朱華麗

摘? 要：根據(jù)天線技術(shù)教學現(xiàn)狀和課程自身特點，提出虛擬仿真實驗教學改革模式，將仿真軟件CST應用到天線的實驗教學中，設(shè)計偶極子陣列天線、石墨烯貼片天線、微帶—八木天線以及介質(zhì)板加載的喇叭天線等仿真模塊。通過圖形可視化來增強學習興趣，提高學生對天線基本工作原理的理解，培養(yǎng)其自主設(shè)計一定功能天線的能力，為后續(xù)課程或從事微波技術(shù)領(lǐng)域的工作打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：天線原理與技術(shù)? 虛擬仿真? 實驗教學? 仿真項目

中圖分類號：TN820;G642.0? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0206-04

Abstract： According to the current situation of antenna technology teaching and the characteristics of course itself， the reform mode of virtual simulation experiment teaching is proposed. The simulation software of CST is applied to the teaching to design the dipole array antenna， graphene patch antenna， microstrip-Yagi antenna， dielectric-loaded horn antenna and so on. Through the graphic visualization， the learning interest of students is improved and the understanding for the basic working principle of antenna is enhanced as well as the ability to independently design a certain function antenna is cultivated， which lays a good foundation for subsequent courses or future work in the field of microwave technology.

Key Words： Antenna technology; Virtual simulation; Experiment teaching; Simulation project

《天線原理與設(shè)計》作為我校電子信息類的一門專業(yè)限選課程，擔負著培養(yǎng)未來微波技術(shù)工程師的任務。課程主要講述天線基本輻射理論與電小天線、天線陣列、線源、諧振天線、寬帶天線、口徑天線的工作原理與設(shè)計方法。相關(guān)先修課程有《電磁場與電磁波》、《微波技術(shù)基礎(chǔ)》和《射頻電路分析》，學生普遍反映這些課程難度較大，知識掌握不牢。而《天線原理與設(shè)計》一課與上述先修課程聯(lián)系緊密，同時天線技術(shù)本身對理論知識和工程技能均有較高的要求，所以學生對這門課程的學習熱情不高，有嚴重的畏難情緒。

為了便于學生提高學習熱情、掌握天線基本知識，當前國內(nèi)高校均開設(shè)課內(nèi)虛擬仿真實驗。主要手段是引入CST、HFSS、FOKE等專業(yè)電磁仿真軟件對不同天線進行仿真，通過觀察天線帶寬、增益、方向圖、輻射效率、極化、軸比等參數(shù)，加深對天線主要概念的理解。然而，現(xiàn)實實驗教學中普遍存在實驗項目單一、驗證性實驗居多、項目內(nèi)容陳舊等缺點。這些不足直接導致學生出現(xiàn)知識掌握僵化、難以理論聯(lián)系實際、綜合應用知識能力欠缺等問題。各校針對天線實驗教學中存在的問題已著手進行教學改革。例如，南京航空航天大學結(jié)合理論分析與電磁仿真計算對介質(zhì)諧振天線進行了教學展示[1];大連海事大學讓學生利用HFSS軟件設(shè)計微帶陣列天線并進行加工、測試，培養(yǎng)了學生的實踐能力和工程應用能力[2];哈爾濱工業(yè)大學基于實際的科研項目開展了寬帶加脊喇叭天線教學實驗，利用科研與教學相結(jié)合的方式提高了教學效果[3]。結(jié)合我校不具備天線加工和測試條件的現(xiàn)狀，所以天線實驗教學改革主要落腳點在于如何科學、合理地構(gòu)建虛擬仿真實驗項目，以至最大限度地激發(fā)學生的學習興趣。

實驗項目的開設(shè)不僅要有科學性還應該具有強的趣味性。如果將一些新聞熱點和前沿技術(shù)適度引入到天線實驗教學的課堂上，那么必定會拉近課程內(nèi)容與時代的距離，增強學生的求知欲，提高其學習主觀能動性。本教學改革將通過構(gòu)建偶極子陣列天線、石墨烯加載的貼片天線、微帶—八木天線以及介質(zhì)加載的喇叭天線來讓學生理解不同天線的工作原理，掌握若干類重要天線的設(shè)計方法，體會相控陣掃描、石墨烯電可調(diào)以及波束重構(gòu)的科學魅力。

1? 實驗項目構(gòu)建

天線種類眾多，對所有類型的天線均開設(shè)虛擬仿真實驗不切實際。受課時所限，將重點對偶極子天線、微帶天線、八木天線以及喇叭天線建設(shè)仿真平臺。同時，適當融合當前新材料、新技術(shù)，提高課程的趣味性和前沿性。

（1）偶極子天線：偶極子天線是研究線天線的基礎(chǔ)，是使用最早、結(jié)構(gòu)最簡單、研究最廣泛的一類天線。如圖1所示天線的許多重要參數(shù)均能夠由其引出。傳統(tǒng)的仿真實驗更多以驗證為主來理解偶極子天線的工作原理。項目將在仿真單個偶極子天線后搭建偶極子陣列模型，理解單元電流相位對方向圖綜合的影響，初步構(gòu)建相控陣掃描的概念，結(jié)合實時熱點新聞，提高課程的趣味性。同時，還可考察外加磁場對天線方向圖的作用，初步理解電磁環(huán)境對天線輻射性能的影響。

（2）貼片天線：這種天線常常通過兩塊金屬板夾介質(zhì)構(gòu)成，具有定向輻射的功能，廣泛用于移動通信、導航遙控、武器引信等領(lǐng)域。新型二維材料石墨烯利用其介電常數(shù)能夠表征其電學特性[4]。通過調(diào)節(jié)這種材料的化學勢能夠改變其介電常數(shù)。如圖2所示，項目將石墨烯引入到貼片天線的設(shè)計中，用于取代傳統(tǒng)上層金屬薄層。設(shè)置不同的化學勢值以改變天線輻射性能?；谑┑摹懊暋保瑢W生必定對實驗內(nèi)容充滿期待。

（3）八木天線：通過讓學生自由設(shè)定引向器和反相器的個數(shù)，調(diào)節(jié)方向圖的指向，感受方向圖的重構(gòu)過程，加強對這種類型天線原理的理解。圖3給出了微帶—八木天線結(jié)構(gòu)圖。將八木天線與微帶天線結(jié)合設(shè)計微帶—八木天線也是當前學術(shù)研究的熱點[5]。那么，鼓勵學有余力的同學將微帶天線實驗項目與本實驗項目結(jié)合設(shè)計石墨烯加載的微帶—八木天線，最終實現(xiàn)天線方向圖的“左右搖擺”。

（4）喇叭天線：將波導終端張開便可構(gòu)成喇叭天線。根據(jù)終端端口截面形狀，常?？煞譃閳A形喇叭和矩形喇叭。如圖4所示，建立矩形口面喇叭天線，利用介質(zhì)板對這種傳統(tǒng)喇叭進行加載，學習提高輻射增益的方法。分析介質(zhì)板介電常數(shù)、尺寸、加載位置對天線輻射的影響程度。此外，適當引入超材料的設(shè)計方法，對介質(zhì)板進行合理賦型，構(gòu)造超材料加載的喇叭天線，更加靈活地控制喇叭波束，讓學生了解當前蓬勃發(fā)展的超材料技術(shù)在天線領(lǐng)域的廣泛應用[6-7]。

2? 實施方法

（1）通過調(diào)查問卷和面對面座談的方式深入了解學生學習天線技術(shù)的困惑，梳理教學難點，對學生進行反饋，確保教學難點的精準把握;

（2）引入或制作仿真軟件使用教程，學生提前自主學習軟件的基本操作;

（3）建立所需天線的仿真模型，記錄建模難點以便課堂進行重點講解;

（4）留意當前時事熱點，結(jié)合天線理論進行分析，形成教學案例;

（5）了解學生擁有仿真電腦的情況，對課前不能進行預習仿真的同學實驗課上重點幫扶;

（6）實驗課程結(jié)束后，將建立好的天線模型上傳至網(wǎng)絡教學平臺，供學生課后自主下載學習;

（7）鼓勵學有余力的學生加入教師的科研項目，深入學習天線理論與技術(shù)。

3? 預期效果

（1）使學生從難以理解抽象概念、難以想象特定天線形式的困境中解脫出來，在注重教學科學性的同時最大限度地提高學生的學習熱情和創(chuàng)造力，讓學生能夠運用天線知識解釋熱點事件、解決實際問題;

（2）通過梳理主流電磁仿真軟件的開發(fā)商分布情況，讓學生意識到軟件自主可控的必要性與緊迫性，增強愛國情懷，提高學習動力;

（3）為我校《電磁場與電磁波》、《微波技術(shù)基礎(chǔ)》等有關(guān)課程課內(nèi)實驗教學改革提供參考思路;

（4）讓2～3名碩士研究生參與實驗教學改革工作，培養(yǎng)他們的溝通能力、協(xié)調(diào)能力和科研能力;

（5）幫助學有余力的學生申請大學生創(chuàng)新訓練項目并完成畢業(yè)論文/設(shè)計。

4? 結(jié)語

本文針對當前天線技術(shù)教學中的困難，提出虛擬仿真實驗教學改革方案。通過構(gòu)建偶極子陣列天線、石墨烯貼片天線、微帶八木天線以及介質(zhì)板加載的喇叭天線等仿真項目，讓學生充分理解天線性能參數(shù)、掌握天線的基本設(shè)計方法。同時，科學、適度地引入相控陣概念、石墨烯材料、超材料等前沿理論和技術(shù)，豐富項目內(nèi)容，讓項目有良好的拓展性。最終，學生的學習熱情、知識掌握程度、理論聯(lián)系實際能力均有較大的提升。

參考文獻

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