基于HFSS的微波技術(shù)與天線課程教學(xué)實(shí)踐與探索

姜沛 惠明 張帥

摘要：為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更直觀地理解微波天線的基本知識(shí)、基本原理，提高微波技術(shù)與天線課程教學(xué)質(zhì)量，提出將電磁仿真軟件HFSS引入到課堂教學(xué)中。以基于新型的基片集成間隙波導(dǎo)的縫隙天線為例，采用HFSS對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真研究，對天線的關(guān)鍵參數(shù)和輻射特性進(jìn)行了分析，將抽象的天線理論轉(zhuǎn)化為圖形演示，重點(diǎn)展示了HFSS輔助教學(xué)的直觀可視化特點(diǎn)。教學(xué)實(shí)踐證明，這種方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，具有可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：HFSS;電磁仿真;微波技術(shù);天線;教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）26-0215-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Teaching Practice and Exploration of Microwave Technology and Antenna Course based on HFSS

JIANG Pei， HUI Ming， ZHANG Shuai

（College of Physics & Electronic Engineering， Nanyang Normal University， Nanyang 473061， China）

Abstract： In order to stimulate students' interest in learning， and make students understand the basic knowledge and principle of microwave antenna more intuitively， and improve the teaching quality of microwave technology and antenna course， the electromagnetic simulation software HFSS is introduced into the classroom teaching. Taking a slot antenna based on substrate integrated gap waveguide as an example， it is optimized and simulated using HFSS. The key parameters and radiation characteristics of the antenna are analyzed. The abstract antenna theory is transformed into a graphical demonstration. The visual characteristics of HFSS assisted teaching are emphasized. The teaching practice has proved that this method， which can improve students' learning enthusiasm， is feasible and effective.

Key words： HFSS; electromagnetic simulation; microwave technology; antenna; teaching practice

1 引言

“微波技術(shù)與天線”是電子信息類專業(yè)必修課程之一。該課程內(nèi)容涵蓋傳輸線理論、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、微波元器件和天線理論等，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性[1]。在工程上，微波技術(shù)是分析設(shè)計(jì)天線、濾波器、定向耦合器等微波元器件的基礎(chǔ)，天線是無線通信系統(tǒng)不可或缺的組成部分[2]，是能量從有線傳輸?shù)綗o線傳輸過渡的橋梁。因此，學(xué)好該課程對于電子信息類專業(yè)的學(xué)生具有十分重要的意義。

2 課程特點(diǎn)及存在的挑戰(zhàn)

該課程專業(yè)性強(qiáng)，先修課程比較多，要求有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。抽象性強(qiáng)，公式繁多且復(fù)雜，且物理概念不容易理解[3]。時(shí)效性強(qiáng)，與實(shí)際的工程問題息息相關(guān)，要求老師關(guān)注最新學(xué)科前沿，以保持課程的新穎性。從而造成了學(xué)生難學(xué)、教師難教的局面。

開設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程可有效改善上述問題，也符合我校“應(yīng)用型區(qū)域高水平大學(xué)”建設(shè)目標(biāo)的要求。通過實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生既可以深入理解課堂理論教學(xué)內(nèi)容，又能鍛煉應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。但是實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)存在一定困難，因?yàn)槌嘶镜膬x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。而且儀器的操作比較復(fù)雜，操作不當(dāng)還可能帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。

隨著射頻微波電路仿真技術(shù)的發(fā)展，已有越來越多成功的教學(xué)案例將仿真軟件應(yīng)用到微波技術(shù)與天線課程的教學(xué)中。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教學(xué)方法[5]。為此，本文將常用的電磁場仿真軟件HFSS應(yīng)用到微波天線的課堂教學(xué)中，為學(xué)生構(gòu)建直觀性的學(xué)習(xí)情景。緊貼科技前沿，以基于新型的基片集成間隙波導(dǎo)的縫隙天線為例，通過創(chuàng)建天線模型，詳細(xì)分析天線關(guān)鍵參數(shù)，使學(xué)生深入、透徹地理解天線的基本理論。

3 基于HFSS的基片集成間隙波導(dǎo)縫隙天線分析

天線理論是抽象的，電磁場是看不見摸不著的，學(xué)生很難建立直觀的認(rèn)識(shí)。利用電磁仿真軟件為學(xué)生構(gòu)建開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供更多獲取知識(shí)的途徑和更好地綜合運(yùn)用于實(shí)踐的環(huán)境，可以形象地呈現(xiàn)出抽象的天線結(jié)構(gòu)及電磁場，便于學(xué)生觀察和分析[6]，從而改變傳統(tǒng)的以教師、課堂和書本為中心的教學(xué)狀況。下面以基片集成間隙波導(dǎo)縫隙天線為例，通過HFSS仿真，直觀地呈現(xiàn)出天線的特性，并分析其關(guān)鍵信息。