微波技術(shù)與天線的仿真實(shí)踐教學(xué)

郁劍 朱家樂 陶方琪

摘要：為了使學(xué)生更加直觀地理解所學(xué)的電磁場(chǎng)、微波與天線知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，全面提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提出了把電磁仿真軟件引入到微波技術(shù)和天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并將電磁仿真軟件嵌入到具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，可以更好地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。通過電磁仿真軟件的嵌入，不僅使實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破了傳統(tǒng)地、單一地驗(yàn)證型微波實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富、更具設(shè)計(jì)性，而且能夠培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐能力，提高學(xué)生的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：電磁仿真軟件;微波技術(shù);天線;電磁場(chǎng);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）30-0109-03

Abstract： In order to make the students understand the electromagnetic field， microwave and antenna more intuitively， stimulate the students' experimental interest and improve the quality of experiment teaching in an all-round way， the electromagnetic simulation software is introduced into the experiment teaching of microwave technology and antenna. Combining with the existing experimental teaching content and embedding the electromagnetic simulation software into the specific experiment， the experimental teaching effect can be improved better. Through the embedding of electromagnetic simulation software， the experiment teaching breaks through the traditional and single verification microwave experiment， makes the experiment content more abundant and more designable. Meanwhile， students' innovative thinking ability and practical ability can be cultivated and exercised， and students' comprehensive competitiveness can also be improved.

Key words： electromagnetic simulation software; microwave technology; antenna; electromagnetic field; experimental teaching

1 引言

《微波技術(shù)與天線》課程是電子信息工程與通信工程等電子信息類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課程之一。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解微波元件與天線[1-2]及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用、微波網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，掌握微波在各種介質(zhì)（傳輸線和波導(dǎo)）中的傳輸方式，微波網(wǎng)絡(luò)中的等效概念，同時(shí)，學(xué)會(huì)使用史密斯圓圖分析阻抗匹配，用場(chǎng)的理論分析各種模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu);通過具體的實(shí)驗(yàn)操作基本掌握測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)參量。學(xué)完本課程后，能夠讓學(xué)生深入了解和基本掌握微波技術(shù)與天線的相關(guān)原理及其實(shí)際應(yīng)用。

高等院校根據(jù)《微波技術(shù)與天線》課程的教學(xué)需要，開設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，不僅可以加深學(xué)生對(duì)先學(xué)課程《電磁場(chǎng)與電磁波》的知識(shí)理解，而且可以充當(dāng)科學(xué)研究與工程應(yīng)用的實(shí)踐課程，培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生的理論運(yùn)用和專業(yè)技能，滿足電子信息類（微波/射頻）專業(yè)的卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃[3-4]。但是，在多數(shù)高等院校中，專業(yè)課程《微波技術(shù)與天線》的實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)存在一定困難，因?yàn)殚_設(shè)微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)課程除了需要基本的儀器設(shè)備外，還需要配備矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波暗室等硬件設(shè)施，這些都需要投入大量的資金[5]。所以，在高等院校中開設(shè)《微波技術(shù)與天線》仿真實(shí)驗(yàn)課程是學(xué)校在專業(yè)人才培養(yǎng)和資金控制方面的良好折中，是一種效果非常好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[6]。

開設(shè)微波技術(shù)和天線仿真實(shí)驗(yàn)課程的主要目的有5個(gè)方面：（1）理解和感性認(rèn)知電磁波在傳輸線和波導(dǎo)等傳播媒介中的傳輸方式;（2）掌握史密斯圓圖，并利用史密斯圓圖分析阻抗匹配;（3）了解微波網(wǎng)絡(luò)，如何測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)參量;（4）掌握天線（電偶極子天線、貼片天線）的參數(shù)分析與指標(biāo)設(shè)計(jì);（5）掌握基本的電磁學(xué)仿真軟件的使用。

目前，雖然國內(nèi)有些電子信息類高等院校開設(shè)了微波技術(shù)或天線類課程的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。但是，這些高校開設(shè)的仿真實(shí)驗(yàn)課程中，有的是利用Visual-Basic軟件開發(fā)工具設(shè)計(jì)開發(fā)的天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)[7];有的是借助微視頻的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來提高“電波與天線”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果[8]，無法讓學(xué)生直觀地感受到電磁場(chǎng)在各種介質(zhì)、情景中的傳播過程及傳播現(xiàn)象。

為了更好地提高《微波技術(shù)與天線》課程的教學(xué)質(zhì)量， 在完成基本的微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，本文通過將電磁仿真軟件應(yīng)用到《微波技術(shù)與天線》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以取得較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[7-8]。

2 微波技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹

在微波技術(shù)這類課程的學(xué)習(xí)中，首先要學(xué)習(xí)的就是電磁場(chǎng)的基本理論，接著是傳輸線及其相關(guān)的理論知識(shí)，其中會(huì)對(duì)史密斯圓圖進(jìn)行講解，并利用史密斯圓圖來分析阻抗匹配;然后是波導(dǎo)、傳播模式、微波網(wǎng)絡(luò)（散射矩陣）等的學(xué)習(xí)。這些內(nèi)容在學(xué)習(xí)過程中都比較抽象，學(xué)生無法直觀的去理解這些抽象內(nèi)容，開設(shè)《微波技術(shù)與天線》課程的仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分知識(shí)的過程中，清晰地感受到電磁場(chǎng)在媒介中的傳播過程，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交替現(xiàn)象等。所以，引入仿真軟件，可以直觀地讓學(xué)生學(xué)習(xí)到如何利用史密斯圓圖來分析阻抗匹配、微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的具體呈現(xiàn)、傳輸線波導(dǎo)中電場(chǎng)磁場(chǎng)是如何運(yùn)動(dòng)等等。

圖1給出了傳輸線的仿真模型及其電場(chǎng)和磁場(chǎng)在傳輸線上的分布。通過仿真軟件的引入，學(xué)生利用仿真軟件可以直觀地感受到傳輸線模型中電場(chǎng)與磁場(chǎng)的分布及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖 2 給出的是傳輸線模型的S參數(shù)（反射系數(shù)），也就是微波技術(shù)課程中的微波網(wǎng)絡(luò)章節(jié)的具體體現(xiàn)。圖3給出的是傳輸線模型傳輸與反射的史密斯匹配圓圖，從史密斯圓圖上可以清晰地看出傳輸線在一個(gè)頻段內(nèi)是否匹配，所設(shè)計(jì)的傳輸線模型是否滿足要求等。與傳輸線對(duì)應(yīng)的是波導(dǎo)模型及其性能，如圖4所示。圖中給出了波導(dǎo)模型中電磁場(chǎng)的分布及強(qiáng)弱狀態(tài)。圖1-圖3可以與理論教學(xué)中的講述和結(jié)果對(duì)比，便于學(xué)生理解電磁場(chǎng)與微波技術(shù)相關(guān)課程中所授知識(shí)的來龍去脈，從抽象到形象生動(dòng)，學(xué)懂課程理論中的抽象難以理解的知識(shí)，達(dá)到《微波技術(shù)與天線》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

3 天線仿真實(shí)驗(yàn)介紹

天線課程的講授相較于微波技術(shù)課程更加抽象、內(nèi)容更加枯燥無味，學(xué)生在學(xué)習(xí)天線課程的過程中相當(dāng)是難以接受和理解天線的基礎(chǔ)理論。通過在課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)引入仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用仿真軟件對(duì)典型基本天線的相關(guān)結(jié)論現(xiàn)象進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以使學(xué)生更快的理解天線的相關(guān)理論知識(shí)和技術(shù)參數(shù)，更好地接受天線課程，并對(duì)天線課程增加興趣。

圖5給出的是最基本的電偶極子天線及電偶極子天線的電磁場(chǎng)分布，從圖5給出的仿真的結(jié)果可以清晰地看到電場(chǎng)的分布主要是沿著電偶極子天線的兩個(gè)振子方向，而磁場(chǎng)的分布是繞著以電偶極子為中心的圓。圖6給出的是電偶極子天線的三維輻射方向圖。這是講授天線課程都會(huì)講授到的最基本的輻射方向圖，輻射方向圖類似蘋果形狀，從xoz面和yoz面觀察，二維輻射方向圖是類“8”字形，而從xoy面觀察，二維輻射方向圖是圓形。

4 結(jié)束語

在《微波技術(shù)與天線》課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過電磁仿真軟件把電磁場(chǎng)、微波及天線理論知識(shí)中出現(xiàn)的抽象知識(shí)點(diǎn)具體化的過程，可以有效地加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)，通過電磁仿真軟件的實(shí)際操作，可以增強(qiáng)本專業(yè)學(xué)生的專業(yè)技能和實(shí)踐能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)基本的仿真建模分析能力。減少本專業(yè)學(xué)生進(jìn)入研究生階段在今后的改革研究中，會(huì)不斷地引入相關(guān)的電磁仿真設(shè)計(jì)軟件，如 Ansoft HFSS、Agilent ADS、IE3D、CST等，使《微波技術(shù)與天線》課程的實(shí)踐教學(xué)與當(dāng)前的科學(xué)研究相銜接，更好地培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能和工程設(shè)計(jì)能力，為本專業(yè)學(xué)生將來工作和研究奠定堅(jiān)實(shí)的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。

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【通聯(lián)編輯：王力】