無線通信教學中仿真技術的運用研究

梁彥霞

摘要：新工科背景下，為提高無線通信教學質量，各大院校在數字技術賦能教學實踐路徑下進行了不同形式的教學改革，產生了較好效果。文章以此為背景概述了無線通信教學中應用仿真技術的必要性，并在剖析射頻EDA仿真軟件平臺的基礎上，結合HFSS的無線通信天線仿真、FEKO的無線電波散射特性仿真兩個案例，對其運用進行了具體探討。

關鍵詞：無線通信；教學；仿真技術；運用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.034

中圖分類號：G 642；TN 92-4? ? ? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）04-0-03

Research on the Application of Simulation Technology

in Wireless Communication Teaching

LIANG Yanxia

（School of Communication and Information Engineering （School of Artificial Intelligence）， Xi'an University of Posts and Telecommunications， Xi'an 710061， China）

Abstract： In the context of new engineering， in order to improve the quality of wireless communication teaching， various universities have carried out different forms of teaching reforms under the path of digital technology empowerment teaching practice， which has produced good results. This article provides an overview of the necessity of applying simulation technology in wireless communication teaching， and based on the analysis of the RF EDA simulation software platform， it specifically explores its application by combining HFSS's wireless communication antenna simulation and FEKO's wireless wave scattering characteristics simulation.

Keywords： wireless communication; teaching; simulation technology; apply

在改變日常生活、生產方面，無線通信技術發(fā)揮了巨大作用。近年來，隨著無線通信技術與數字技術的深度融合應用，既推動了各行業(yè)、領域的快速發(fā)展，也擴大了人力資源市場對無線通信專業(yè)類人才的需求。為滿足新的發(fā)展需求，各大院校從新工科背景出發(fā)積極開展了無線通信教學改革，增強了對各類新材料、新技術、新工藝的運用。從作用看，仿真技術作為一種新型數字技術兼具了理論與技術雙重屬性，應用到無線通信教學中后，一方面有利于輔助教師創(chuàng)建虛擬實驗室、克服傳統(tǒng)教學“重理論，輕實踐”的弊端，另一方面可促進教學工作向高質量方向發(fā)展。下面先對無線通信教學中運用仿真技術的必要性進行簡要概述。

1? ?無線通信教學中應用仿真技術的必要性

1.1 從教學改革角度分析

無線通信課程屬于專業(yè)基礎類課程，教學內容涵蓋范圍較廣，主要包括：通信原理、高頻電子線路、概率論、信息論與編碼理論、數字信號處理、無線電波傳播等。由于該課程具有專業(yè)性強、復雜性高等特點，各大院校在新工科背景下為響應教育部“金課”建設要求，通常按照“兩性一度”指標開展多元化教學改革。

然而，受到實驗設備資源配置不足的影響（主要包括購買資金、設備體積、運維管理等），教學改革捉襟見肘，導致了實際改革效果與預期效果相差懸殊的情況。從以往的教學改革經驗看，部分院校面向“新工科”人才培養(yǎng)方向開展無線通信實踐教學時仍存諸多困難，提出了“建設虛擬仿真實驗室”方案，起到了緩解教學改革實踐難題的效果[1]。因而，新時期有必要借鑒相關經驗，持續(xù)擴大對仿真技術的運用，進一步推進無線通信教學改革工作。

1.2 從學生就業(yè)角度分析

無線通信教學中的人才培養(yǎng)直接關系到企業(yè)專業(yè)人才供給及學生就業(yè)，在需求導向下培養(yǎng)無線通信類專業(yè)人才時，教師首先要根據與學生就業(yè)對口的行業(yè)、企業(yè)現(xiàn)狀，去調整部分教學內容。目前，各行業(yè)企業(yè)在數字化轉型期間已普遍應用無線通信技術。在專業(yè)人才的需求方面，十分強調對無線通信技術運用及相關設施設備運維管理等人才的招聘。在這種情況下，無線通信技術教學改革實踐中，應增強對仿真技術的運用，使學生在理解所學內容的同時熟練掌握仿真軟件，為后續(xù)就業(yè)打下堅實的技術基礎。

2? ?無線通信教學中對仿真技術的運用分析

無線電通信專題課程教學中，“無線電波傳播”部分具有理論性強、抽象特征鮮明、實驗教學開展難度大的基本特點。下面以此為對象，結合無線通信天線仿真、無線電波散射特性仿真兩種方法，對射頻EDA仿真軟件平臺在其教學中的運用展開分析。

2.1 仿真軟件平臺

無線電波傳播屬于無線通信教學中的基礎類專業(yè)課程，不僅包括信道估計與均衡分集，還涉及諸多無線通信新技術（如智能反射、多無線技術等）。從以往教學經驗看，教學中存在的困難集中表現(xiàn)在兩個方面：一是該課程內容理論性較強，牽涉若干抽象教學概念，教師向學生講解專業(yè)術語時，存在學生接受效果差的問題。尤其在無線通信天線相關的參數、無線電波不同形式的傳播機制方面，學生往往會出現(xiàn)理解不準確的情況。二是該課程中的實驗教學要求高，在缺乏配套實驗設備的情況下較難開展實驗教學。

為此，實踐中引入射頻電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）軟件平臺（以下簡稱EDA軟件）開展教學，旨在解決上述兩個問題。從筆者查閱文獻資料、同行交流及教學經驗看，在該門課程方面應用較多的是HFSS軟件與FEKO軟件。

2.1.1 以HFSS軟件為例

該軟件屬于三維全波電磁仿真類軟件（生產廠家是美國ANSYS公司），用戶界面十分友好且具有強大的仿真功能，可滿足電磁特性相關的仿真與設計需求，適用于無線電波傳播教學中的天線、射頻與微波器件教學仿真等。從同類課程應用經驗看，在無線通信天線仿真方面應用該軟件能夠快速搭建各種應用場景并進行仿真分析。尤其在提取天線的S參數與其他參數方面可實現(xiàn)“一鍵式操作”。當學生使用該軟件進行學習時，能夠在可視化條件下觀察相關曲線與三維圖，更為全面、深入地理解天線收發(fā)無線信號相關教學內容中相對抽象的原理及隱秘路徑[2]。

2.1.2 以FEKO軟件為例

該軟件與上述軟件屬于同一類型，全稱三維全波電磁仿真軟件（生產廠家是德國Altair公司），適用范圍廣泛，主要包括電磁兼容、射頻電路、電波傳播等領域。同時，在輸出表面電流、散射截面及各類圖形結果顯示方面具有明顯優(yōu)勢。與HFSS軟件相比，該軟件對電大尺寸復雜場景中的電磁分析適配性較高。例如，在無線電波傳播教學中應用FEKO軟件時，學生能夠根據其輸出與顯示更為直觀地分析實際情況，從而掌握無線電波傳播內在機制等。

2.2 仿真軟件的運用分析

2.2.1 以無線通信天線仿真為例

無線通信中的前端部件中，天線主要負責發(fā)送與接收無線電信號。應用HFSS軟件時，教師可以搭建天線三維立體模型，繪制輻射遠場景分布彩圖，使學生更為直觀、形象地感受其電波輻射等。例如，微帶貼片天線通常應用在短距離無線通信系統(tǒng)之中，結構主要包括：介質基板、1/4波長阻抗轉換器、50 微帶線、輻射貼片等。此時，教師可應用仿真軟件開展相關教學工作。

首先，教師打開FEKO軟件后，先進行“項目導入”，然后在模型界面的“參數設置”欄直接輸入微帶貼片天線相關參數，搭建微帶貼片天線結構模型。以常用微帶貼片天線為例，相關參數如下：①RR4板介電常數（εr）：4.4；②輻射貼片長度與寬度：28 mm、37.26 mm；③介質基板長度與寬度及高度：74.45 mm、74.52 mm、1.6 mm；④阻抗轉換器長度與寬度：17.45 mm、50 ；⑤微帶線長度與寬度：15 mm、2.98 mm。導入上述參數后生成的模型如圖1所示。

其次，教師可以根據天線輻射特性仿真教學實際需求，模擬其回波損耗曲線（S11曲線）。然后，引導學生通過回波損耗曲線，對其正常工作中的能量傳輸工作寬帶加以確認。由于該曲線呈現(xiàn)為“漏斗型”，學生能夠在Freq-dB（S11）回波損耗曲線圖中精準找出S11取值范圍，并在-10 dB以內確認其工作帶寬范圍（2.428～2.488 GHz）。除此之外，教師還可以清晰、明確地向學生指出其相對帶寬、中心頻率分別為2.4%和2.45 GHz等。同理，教師按照同樣的仿真教學方法，“提取”參數操作生成該天線的電壓駐波比曲線、三維輻射方向圖，使學生通過二維曲線與三維方向圖直觀地觀察該天線工作期間無線電波傳播情況，從而理解其工作機制[3]。

2.2.2 以無線電波散射特性仿真為例

無線電波傳播機制是無線電通信教學中的重點與難點，原因如下：一是該機制涉及的抽象概念較多，學生容易出現(xiàn)概念混淆。二是進行散射截面模型、多徑反射模型分析時，缺乏可視化條件支持，學生較難理解抽象模型。在這種前提下，為幫助學生理解其學習中需要了解的目標模型，更為清楚地觀察相關輸出信息，教師可選擇FEKO軟件，對無線電波相關特性開展仿真分析，幫助學生理解其機制[4]。

以無線電波散射特性仿真為例，教師可以從散射機制出發(fā)搭建飛機散射目標模型，并在其基礎上分析飛機散射特性，使學生理解其機制。具體而言，在遭遇不規(guī)則物體阻礙的情況下，無線電波傳播中會出現(xiàn)散射現(xiàn)象。此時，教師可以將一個具體的飛機作為對象，先簡化其內部結構與構成材料，確認相關參數，再進行仿真分析。

其次，教師結合課程內容指導學生觀測上述曲線中的RCS數據，并在軟件中提取無線電波傳播中的路徑損耗，進而使其完成對具體目標的識別與確認，進而使學生理解其中的機制。

第三，教師可根據飛機在三維空間中的散射強度分布情況，建立3D RSC分布圖，使用藍色、紅色箭頭分別標記入射波方向與入射波線極化方向。此時，教師與學生的觀察角度可以從0°擴大至360°，全方位實施對三維空間中遠場散射回波強度分布情況進行觀察與分析。具體操作時，教師可根據“掃角”的實際情況，選擇1°作為步進值設置參數，然后建立3D飛機表面無線電波激發(fā)的感電流強度分布圖，讓學生借助直觀的三維可視化教學理解無線電波傳播散射機制等[5]。

3? ?結束語

總之，新工科背景下的無線通信教學越來越重要，為促進高質量教學與高水準實踐目標的實現(xiàn)，有必要在此類課程教學中擴大對仿真技術要素的配置比例為其實踐賦能。結合上述分析可以看出，在無線通信教學中應用諸如HFSS、FEKO之類的EDA射頻仿真軟件，有利于在三維立體環(huán)境下更為清晰地呈現(xiàn)無線電波輻射特性，把抽象的多徑反射、散射截面等具象化，進而提高學生的學習效果。建議教師在新時期無線通信教學實踐中，盡可能根據無線電通信教學中的實際課程內容，選擇適配性較高的仿真技術及配套軟件，全面提高此類教學的直觀性與可視化程度，增進學生對所學內容的理解。

參考文獻

[1] 代健美，高麗娟．無線通信教學改革與實踐[J]．教育現(xiàn)代化，2022（21）：165-169.

[2] 崔琪楣，劉宜明，秦曉琦，等．新工科背景下無線通信中的人工智能課程思政教學改革與實踐[J]．高教學刊，2023（21）：37-40.

[3] 常春，武明虎，廖力．基于軟件無線電的通信專業(yè)實踐教學探索[J]．教育教學論壇，2022（23）：117-120.

[4] 王濤．面向物聯(lián)網的無線通信實踐教學改革探索[J]．中國新通信，2022（8）：7-9.

[5] 李奕彤．無線通信實驗教學設計及其持續(xù)改進研究[J]．科學咨詢，2022（13）：47-49.