曹衛(wèi)平 高 喜 于新華 姜彥南

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

微波技術(shù)教學(xué)改革初探

曹衛(wèi)平 高 喜 于新華 姜彥南

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

微波技術(shù)是工科電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程內(nèi)容多、概念抽象，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果，文章提出合理利用仿真軟件，對實(shí)際波導(dǎo)器件中的電磁場進(jìn)行模擬仿真，讓學(xué)生建立對電磁場的感性認(rèn)識，從而加深對電磁場以及波導(dǎo)中模式概念的感性認(rèn)識，為培養(yǎng)IT行業(yè)中的高素質(zhì)創(chuàng)新人才打下基礎(chǔ)。

微波技術(shù)；教學(xué)效果；學(xué)習(xí)興趣；仿真軟件

微波技術(shù)是工科電子信息類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，是在學(xué)習(xí)了電路基礎(chǔ)和電磁場與電磁波等課程的基礎(chǔ)上，對微波領(lǐng)域進(jìn)行深入研究的課程，是工程性、實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，同時又是一門理論性強(qiáng)，概念抽象的課程。尤其在利用場方法分析的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的章節(jié)中，其理論性更強(qiáng)，公式繁多，而且對于“場”，概念抽象，既看不見也模不著。因此，學(xué)生對該課程中“場”的理解困難很大，由此產(chǎn)生強(qiáng)烈的畏懼感，可以說是“談虎色變”，往往幾節(jié)課，甚至一個學(xué)期下來，學(xué)生對該門課程仍然是一知半解，尤其對“場”概念的理解更是模糊。另一方面，教師在教學(xué)的過程中感覺也很棘手，很難選擇一個合適的角度對“場”的概念進(jìn)行講解，讓學(xué)生對此能有一個清晰的認(rèn)識，特別對于二類本科院校，學(xué)生基礎(chǔ)普遍相對薄弱，上述現(xiàn)象尤為突出。為了改變對微波技術(shù)這門課程的“難教、難學(xué)”的局面，使學(xué)生順利完成這門課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)更多合格的高素質(zhì)IT人才，許多該課程的教學(xué)工作者都在積極尋找新的教學(xué)方法和手段。在教學(xué)實(shí)踐中也在不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探索適合本專業(yè)特點(diǎn)的新的生動形象教學(xué)法，使教學(xué)質(zhì)量得到進(jìn)一步提高，使學(xué)生的素質(zhì)進(jìn)一步提高，以滿足IT行業(yè)中日益增長的人才需求。

（一）基本理論分析

從教材結(jié)構(gòu)的安排來看，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的講解在傳輸線之后。對傳輸線理論，主要采用“路”的方法進(jìn)行分析，而對波導(dǎo)的分析主要利用“場”的方法。所以從理論方法上看，這兩部分的內(nèi)容存在比較大的跳躍，為了能夠從傳輸線理論較好過渡到波導(dǎo)理論上來，同時為了幫助學(xué)生建立感性認(rèn)識，課前我們給學(xué)生展示一些波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)物（如“矩形波導(dǎo)”和“圓波導(dǎo)”）。通過實(shí)物的展示，讓學(xué)生感受波導(dǎo)這種微波傳輸結(jié)構(gòu)與傳輸線結(jié)構(gòu)之間的本質(zhì)不同：傳輸線是雙線系統(tǒng)，而波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是一種中空的封閉結(jié)構(gòu)。進(jìn)而，提出對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的分析方法與傳輸線的分析方法也有很大差別，對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而言，主要從“場”的角度進(jìn)行分析。采用這循序漸進(jìn)的方式，在我們引入場的概念時，學(xué)生有一定的思想準(zhǔn)備，而不感到突然。

圖1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳輸微波，也就是將電磁波限制在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播。而這些電磁波必然滿足 Maxwell方程組，這是我們利用“場”方法分析波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的根本出發(fā)點(diǎn)，只是在這種情況下電磁場要滿足具體的邊界條件（即波導(dǎo)的金屬壁）。因此，只要在合適的坐標(biāo)系中（矩形波導(dǎo)采用直角坐標(biāo)系如圖1所示）結(jié)合具體的邊界條件求解 Maxwell方程組得到電場和磁場的各個分量，便可得到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的場分布。而對于有電磁場、電磁波以及數(shù)學(xué)物理方程課程基礎(chǔ)的學(xué)生來講，在一定邊界條件下求解 Maxwell方程組以及在求解過程中用到的分立變量法并不陌生，因此對此可以直接給出用縱向場表示橫向場的表達(dá)式，以及縱向場滿足的亥姆霍茲方程而對求解過程視情況（例如該課程授課時數(shù)的多少）可以輕描淡寫地講一講，避免繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。

（二）電磁仿真

在對Maxwell方程解的形式的討論上既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)，因?yàn)闈M足波導(dǎo)邊界條件的解形式有無窮多個，每一個滿足邊界條件的解叫做波導(dǎo)中的一種模式，也就說波導(dǎo)中有無窮多個模式，而每一個模式由于獨(dú)立滿足邊界條件，因此都能在波導(dǎo)中單獨(dú)存在。對“模式”這一概念，要從數(shù)學(xué)上講清楚比較抽象、難懂，而從物理上講，它在波導(dǎo)中又是實(shí)際存在的，但是看不見也模不著，大多數(shù)學(xué)生對此難以理解。

為了擺脫這種困難的局面，筆者發(fā)現(xiàn)如果借助電磁模擬軟件（如 HFSS、CST等）對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中不同模式的場進(jìn)行現(xiàn)場仿真[4-5]，將波導(dǎo)中“無形”的場變成“有形”的線條，化“抽象”為“具體”，讓學(xué)生在一個形象直觀的環(huán)境下理解波導(dǎo)中的模式，往往能夠取得事半功倍的效果。例如在 CST軟件中按照圖 1的方式建立波導(dǎo)模型，利用驅(qū)動模式求解方法，模擬3種模式的場結(jié)構(gòu)，具體如圖2－4所示。圖2為波導(dǎo)中TE10模式電場空間分布，圖2為TE10模式的電場在yz平面的分布，圖3為TE10模式的電場在xy平面內(nèi)的分布，從圖中線條箭頭的方向還能夠判斷電場的方向，在波導(dǎo)邊界上切向場分量等于零等信息在圖中都能清晰反應(yīng)出來。另一方面，如果采用軟件中的動畫效應(yīng)，還能夠顯示場只在傳播方向（z方向）的信息。對于磁場，也能通過模擬仿真進(jìn)行直觀顯示。對于不同的模式，我們只要在仿真軟件中多設(shè)計幾個模式，便可以方便解決，通過對不同模式之間電、磁場分布方式的比較，學(xué)生便能夠理解電磁波在波導(dǎo)中傳播時是以不同模式進(jìn)行傳播，也就是說以不同的電、磁場的分布結(jié)構(gòu)形式，這一點(diǎn)與電磁波在自由空間中的傳播有很大的不同。

從激發(fā)學(xué)生興趣的角度來看，學(xué)生對一些新生事物總是存在一種好奇的心態(tài)，這樣把他們原來根本沒有接觸過的仿真軟件帶入課堂[5]，能有效激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，在學(xué)生這種強(qiáng)烈求知欲下，我們分析波導(dǎo)中電磁場的模式，所取得的教學(xué)效果那是可想而知的。另一方面，電磁仿真軟件是微波器件工程設(shè)計的一個必不可少的軟件，提前向?qū)W生介紹這些軟件，對提高學(xué)生的綜合素質(zhì)也是大有裨益的。

圖2 TE10模式的在平行于xz平面內(nèi)的分布

圖3 TE10模式的在平行于yz平面內(nèi)的分布

圖4 TE10模式的電場分布

（三）結(jié)束語

在微波技術(shù)這一課程中有許多繁瑣的數(shù)學(xué)公式和枯燥的概念，這往往讓學(xué)生產(chǎn)生畏懼感，從而失去學(xué)習(xí)興趣。HFSS及 CST等電磁仿真軟件能夠?qū)唧w的微波器件進(jìn)行有效模擬計算，并且能夠?qū)⑵骷小盁o形”的場結(jié)構(gòu)用“有形”的線條表示出來，這樣便能夠?qū)⒁恍┛菰锏臄?shù)學(xué)公式和抽象的物理概念用簡單而形象的線條進(jìn)行描繪。另一方面，在計算機(jī)高度發(fā)達(dá)的今天，與微波相關(guān)的軟件都能夠在個人電腦上運(yùn)行，而且隨著高校教學(xué)條件的改善，各高校都擁有一定數(shù)量的多媒體教室?；诖?，我們建議，在微波技術(shù)課程教學(xué)過程中，合理利用仿真軟件對微波器件進(jìn)行現(xiàn)場模擬，激發(fā)學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)主動性，讓學(xué)生在一種比較輕松愉快的環(huán)境中去學(xué)習(xí)，既學(xué)好了書本知識，又掌握了仿真軟件的使用，有利于培養(yǎng)具有實(shí)踐能力的實(shí)用型人才。

[1] 鄭學(xué)梅,鄔春明,雷宇凌.淺談《微波技術(shù)》課程教學(xué)改革[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008,No.24:164.

[2] 劉玳珩,張秀成.電磁場與微波課程改革與教學(xué)法研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2001,18(6):73-76.

[3] 鐘玉云,雷靜.工科院校實(shí)踐教學(xué)改革探索[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,Vol.6 Suppl.

[4] 高喜,曹衛(wèi)平,姜彥南.微波與射頻電路設(shè)計課程教學(xué)改革初探[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2010,N0.12.269-271.

[5] 曹衛(wèi)平.射頻 CAD 技術(shù)可以提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,(29):117-119.

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2011-04-20

新世紀(jì)廣西高等教育教學(xué)改革工程立項(xiàng)項(xiàng)目（11083）

曹衛(wèi)平（1971－），男，湖南益陽人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院博士，研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞ㄆ骷?/p>